Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
27
PAGE \* MERGEFORMAT19
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Брянская государственная инженерно-технологическая академия»
Кафедра технологии конструкционных материалов и ремонта машин
ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров
190600 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов»
и 151000 «Технологические машины и оборудование
БРЯНСК 2013
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Брянская государственная инженерно-технологическая академия»
Кафедра технологии конструкционных материалов и ремонта машин
Утверждены научно-методическим
советом БГИТА
протокол №__ от «___» ____________ 2013 года
ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров
190600 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов»
и 151000 «Технологические машины и оборудование
БРЯНСК 2013
УДК 669.584(046)
Технология конструкционных материалов: Лабораторный практикум для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров 190600 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» и 151000 «Технологические машины и оборудование» / Брянск. гос. технол. акад. Сост. Камынин В.В., Серпик Л.Г., Дмитриева Н.В. – Брянск: БГИТА, 2013. – 86 с.
Лабораторный практикум содержит 11 лабораторных работ по технологии конструкционных материалов. Каждая работа включает краткое теоретическое изложение материала, описание методики проведения работы и необходимые оборудование, приборы и материалы.
Для студентов очной и заочной форм обучения.
Рецензент:
доцент кафедры технического сервиса БГИТА Синицын С.С.
Рекомендованы редакционно-издательской и методической комиссиями механико-технологического факультета БГИТА.
Протокол № __ от «___» __________ 2013 г.
Содержание
Введение 6
Лабораторная работа № 1. Испытания на растяжение. Определение механических свойств 7
Лабораторная работа № 2. Определение ударной вязкости металлов 13
Лабораторная работа № 3. Испытания на твёрдость 18
Лабораторная работа № 4. Изготовление отливки в разовой литейной форме 27
Лабораторная работа № 5. Изучение влияния пластической деформации на свойства металлов 33
Лабораторная работа № 6. Ручная дуговая сварка и её применение 38
Лабораторная работа № 7. Газовая сварка и резка металлов 46
Лабораторная работа № 8. Изучение устройства и работы токарно-винторезного станка. Режущий инструмент 62
Лабораторная работа № 9. Изучение устройства и работы вертикально-сверлильного станка. Режущий инструмент 67
Лабораторная работа № 10. Изучение устройства и работы фрезерного станка. Режущий инструмент 73
Лабораторная работа № 11. Обработка заготовок на шлифовальных станках 79
Введение
Методические указания лабораторного практикума составлены в соответствии с рабочей программой курса «Технология конструкционных материалов» направлений подготовки бакалавров 190600 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов» и 151000 «Технологические машины и оборудование».
Целью лабораторного практикума является практическое определение механических свойств материалов, изучение основных технологических методов получения заготовок и деталей.
В результате выполнения лабораторных работ студент приобретает знания по стандартизированным методам определения основных механических свойств материалов, технологии получения заготовок и деталей машин.
В каждой работе приведены краткие теоретические сведения, порядок выполнения практической части работы, используемое оборудование, требования к содержанию отчёта.
ТРЕБОВАНИЯ ПО БЕЗОПАСНОСТИ!
Практически во всех лабораторных работах возможно проявление вредных и опасных факторов. Для обеспечения безопасности жизни и здоровья требуется неукоснительное соблюдение следующих правил техники безопасности:
1. Приступать к проведению работ в лаборатории только с разрешения преподавателя, после проведенного им инструктажа по технике безопасности.
2. Выполнять только порученную преподавателем работу. Переход на другое рабочее место без разрешения преподавателя не допускается.
3. Включение, выключение и настройка лабораторного оборудования производится только преподавателем, учебным мастером или по их разрешению студентами.
4. При выполнении лабораторной работы необходимо быть внимательным, сосредоточенным, не проявлять суеты, спешки или рассеянности.
5. Категорически запрещается находиться в опасной зоне работающего оборудования.
6. Не допускается работа в расстегнутой одежде, одежде со свисающими концами, распущенными волосами.
7. В необходимых случаях требуется пользоваться средствами индивидуальной защиты (СИС), выдаваемыми преподавателем.
8. Категорически запрещается работать в лаборатории в отсутствии преподавателя или учебного мастера, а также выполнять работы на оборудовании, не предусмотренные лабораторной работой.
ИСПЫТАНИЯ НА РАСТЯЖЕНИЕ.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: ознакомиться с методикой проведения испытаний на растяжение и изучить основные механические свойства, определяемые при этих испытаниях.
2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Общие положения.
Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение материалов под действием приложенных внешних механических сил. В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств, обычно представляющих собой напряжения и деформации, при которых происходят изменения физического и механического состояния материала.
Многие механические свойства выражаются через величину напряжений. Напряжения представляют собой удельные характеристики сил, т.е. являются отношением сил к площади сечения, на которое они действуют. В случае осевого растяжения стержня рассматривается площадь F сечения, перпендикулярного оси образца, вдоль которого действует сила Р:
= Р/F (1)
В системе СИ напряжения выражаются в мегапаскалях (МПа). Эта размерность вытесняет ранее использовавшуюся размерность напряжений кгс/мм2 (1 кгс/мм2 = 9,8 МПа).
Деформацией называется изменение размеров и формы тела под воздействием приложенных сил. Величина абсолютной деформации выражается в единицах длины. Часто используют понятие относительной деформации , представляющей собой отношение изменения рассматриваемого размера к его исходной величине , выражая относительную деформацию в процентах:
, (2)
Испытания на одноосное растяжение – наиболее распространенный вид испытаний. Методы этих испытаний стандартизованы (ГОСТ 1497-84).
Образцы и машины для испытаний на растяжение.
Для испытаний на растяжение используют образцы с рабочей частью в виде цилиндра или стержня прямоугольного сечения. Мы будем использовать часто применяемые цилиндрические образцы, форма и размеры которых приведены на рисунке 1.
и – соответственно диаметр и площадь поперечного сечения образца в его рабочей части до испытания,
– расчетная длина образца,
– рабочая длина образца,
– длина конусообразной части образца,
– длина головки образца, – полная длина образца,
– диаметр основания конуса (у головки),
– диаметр головки образца.
Рисунок 1 – Стандартный цилиндрический образец для
испытаний на одноосное растяжение
Расчетную длину размечают на образце в виде расстояния между двумя точками, наносимыми кернением.
Рисунок 2 – Универсальная испыта тельная установка ЦД-100 (ГДР):
1 — основание, 2 - нижняя поперечина, 3 — средняя поперечина, 4 - верхняя поперечина, S - верхняя соединительная направляю щая траверса, 6 - колонна, 7 — зажимные приспособления и устрой ства по передаче деформации, 8 - пульт управления, 9 - механизм по регулировке подачи масла в насосную установку, 10 — переклю чатель пределов измерения силоизмерительного устройства, 11 — щит,
Машины для испытаний на растяжение очень разнообразны. По принципу действия приводного устройства различают машины с механическим и гидравлическим приводами. Внешний вид машины ЦД-100 представлен на рисунке 2. Образец крепится в захватах машины. Подвижный захват перемещается, поддерживая заданную скорость деформирования. При этом график зависимости деформации образца от усилия записывается на ленте с помощью диаграммного прибора. По шкале разрывной машины определяется наибольшее усилие РВ, предшествующее разрушению образца.
После разрушения образца обе его части соединяют по поверхности разрушения (рисунок 3) и штангенциркулем замеряют диаметр шейки образца dш и длину рабочей зоны (расстояние между точками кернения) после испытания.
Рисунок 3 – Соединенные части разрушенного образца
Диаграмма растяжения.
Диаграммой растяжения называют графическое изображение зависимости между действующей нагрузкой и удлинением образца. Схематично такая диаграмма представлена на рисунке 4.
Рисунок 4 – Диаграмма растяжения для мягкой стали
По оси ординат отложены усилия Р в масштабе сил, а по оси абсцисс – удлинение образца в масштабе абсолютных деформаций. Точками, приведенными на диаграмме, обозначены:
РПР – усилие пропорциональности, т.е. предельная нагрузка, при которой сохраняется прямая пропорциональность между деформацией и нагрузкой;
РУ или Р0,05 – усилие упругости, соответствующее остаточной деформации 0,05%;
РТ – усилие текучести, соответствующее площадке текучести на диаграмме; в случае отсутствия площадки текучести определяется по нагрузке, вызывающей остаточную деформацию 0,2%;
РВ – максимальное усилие, предшествующее разрушению образца (соответствует точке С на диаграмме);
D – точка, соответствующая разрушению образца (т.е. усилию Рразр);
OF – величина остаточной (пластической) деформации;
FE – величина обратимой (упругой) деформации;
OE – величина полной деформации образца.
Определяемые механические свойства.
В результате испытаний определяют характеристики прочности и пластичности материала.
К характеристикам прочности относятся:
, МПа (3)
Пределом пропорциональности называют максимальное напряжение, при котором сохраняется прямая пропорциональность между напряжением и деформацией.
, МПа (4)
Пределом упругости называют напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,05% (рис.5).
, МПа (5)
Предел текучести – напряжение, соответствующее площадке текучести.
, МПа (6)
Условным пределом текучести называют напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,2% (рисунок 5).
, МПа (7)
Предел прочности – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, предшествующей разрушению.
К характеристикам пластичности относятся:
, % (8)
, % (9)
где F – площадь поперечного сечения разрушенного образца в месте максимального сужения (шейки).
3. НЕОБХОДИМЫЕ ОБОРУДОВАНИЕ, ПРИБОРЫ, МАТЕРИАЛЫ
3.1. Испытательная машина.
3.2. Штангенциркуль.
3.3. Образец для испытания на растяжение.
4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ И СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
4.1. В отчете указать наименование и цель работы.
4.2. Привести краткие сведения из теории. Особое внимание обратить на диаграмму растяжения, определение и формулировку характеристик механических свойств.
4.3. Зарисовать образец до и после разрушения с указанием основных его размеров.
4.4. Определить величины абсолютного и относительного удлинения образца и относительного сужения площади его поперечного сужения.
4.5. Вычертить в масштабе диаграмму растяжения испытанного образца с указанием значений основных величин (РПР, РУ, РТ, РВ, , , ).
4.6. Рассчитать значения прочностных характеристик (, , , ).
4.7. Значения всех определенных характеристик занести в таблицу:
|
Характеристика материала |
Единицы измерения |
Значения |
|
Предел пропорциональности Предел упругости Предел текучести Предел прочности Относительное удлинение Относительное сужение |
МПа МПа МПа МПа % % |
5. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
5.1. Г.И. Сильман. Материаловедение: учеб. пособие для вузов по специ-альностям направления подгот. "Металлургия, машиностроиние и материалопереработка" / Г. И. Сильман. - М.: Академия, 2008. - 335 с.
5.2. Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. Материаловедение. М.: Машинострое-ние, 1990. – С. 87-92.
5.3. Ю.А. Геллер, А.Г. Рахштадт. Материаловедение. М.: Металлургия, 1983. – С. 117-126.
5.4. В.С. Золотаревский. Механические свойства металлов. М.: Металлур-гия, 1983. – С. 146-183.
Лабораторная работа № 2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДАРНОЙ ВЯЗКОСТИ МЕТАЛЛОВ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Экспериментальное определение ударной вязкости стальных образцов.
2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
В зависимости от характера действия внешних нагрузок, напряжённого состояния, конструктивных особенностей и температуры одна и та же деталь из определенного материала может разрушаться вязко или хрупко. Известно множество случаев хрупкого разрушения под действием ударной нагрузки металлов, обладающих высокими пластическими свойствами.
Для проверки способности материала сопротивляться ударным нагрузкам и выявления склонности к хрупкому разрушению проводят испытания на удар.
Ударные испытания различают:
а) по виду деформации – на изгиб, растяжение, сжатие, кручение, срез;
б) по скорости нагружения – обычные (4-7 м/с), скоростные (100 – 300 м/с) и сверхскоростные (свыше 300 м/с);
в) по числу ударов – одним ударом или повторными ударами;
г) по температуре испытания.
Наиболее широкое применение получил способ однократного испытания при ударном изгибе образцов прямоугольного сечения с надрезом посередине или без него (ГОСТ 9454-78). Наличие надреза способствует более хрупкому разрушению материала, что вызывает излом образца даже при пластичном материале. Кроме того, разрушению надрезанного образца способствует концентрация напряжений. Используют надрезы двух видов – V-образный и U-образный. Кроме этого может быть предварительно создана трещина.
Скорость движения маятника в момент удара должна составлять 5±0,5 м/с для копра с потенциальной энергией 300 Дж (30 кгс·м).
Основной стандартный образец типа Менаже, согласно ГОСТ 9454-78, должен иметь размеры, указанные на рисунке 1. Для некоторых испытаний применяют также большой и малые образцы типа Шарпи с глубоким надрезом. Если для испытания на удар используются нестандартные образцы, то следует предварительно провести сравнительные испытания стандартных и нестандартных образцов для получения эмпирических коэффициентов.
В результате испытания определяется работа удара K (KU, KV или KT) и ударная вязкость материала KC (KCU, KCV или KCT), представляющая собой работу, затраченную для ударного излома образца, отнесенную к площади поперечного сечения в месте надреза. Если сравнить два материала с одинаковым пределом прочности, но требующие для разрушения разное количество работы, то тот, для которого работа будет больше, называют более вязким материалом.
Рисунок 1 – Образец для испытания на ударную вязкость с U-образным надрезом
Хотя данные об ударной вязкости и не могут быть использованы при расчёте на прочность или для аналитической оценки опасности хрупкого разрушения, но они позволяют решить вопрос о применимости того или иного материала в условиях динамических нагрузок, в которых работают многие детали машин, имеющие отверстия, канавки для шпонок, разные конструктивные углы и т.п. Низкая ударная вязкость служит основанием для браковки материала. Стали, применяемые для изготовления деталей, работающих при динамических нагрузках, должны иметь ударную вязкость не менее 8·10 Н·м/м².
Испытательная машина
Ударные испытания на изгиб проводятся на маятниковых копрах. В работе используется маятниковый копер модели МК-30 (рисунок 2) с переменным запасом энергии в пределах от 10 до 300 Н·м.
Основанием копра служат две стойки 1, между которыми находится маятник 2, который с помощью шарикоподшипников и горизонтальной оси подвешен к стойкам. На той же оси (на рисунке 2 она не показана) размещена подъёмная рама 3. Перед испытанием подъемная рама 3 поднимается и закрепляется при помощи собачки 4 храпового механизма. Далее маятник поднимают на определенную высоту Н0 (рисунок 3) и фиксируют его на раме защёлкой 5 в положении «зарядка». В этом положении маятник обладает некоторым запасом энергии U0.
Если отпустить защёлку, маятник после падения под действием силы тяжести разрушит установленный на опорах образец. Остановка копра после разрушения образца осуществляется верёвочным тормозом. К маятнику прикреплена верёвка 10, перекинутая через блоки 11 и натянутая грузом 12. Когда, взлетев после разрушения образца, маятник вновь начнёт падать, тормоз остановит его, используя силу трения между верёвкой и блоками станины.
Маятник, обладая оставшимся запасом энергии U1, может подняться на какую-то высоту Н1 по другую сторону стоек. Если пренебречь небольшой потерей энергии на трение в подшипниках, то работу, затраченную на излом образца, можно определить из выражения K = U0 – U1.
Разность энергий
|
U0 – U1 = Q(H0 – H1), где Q – вес маятника. |
Рисунок 2 – Схема работы маятникового копра
Из рисунка 3 следует:
где R- длина маятника, т.е. расстояние от оси вращения до центра его тяжести;
– угол зарядки маятника;
– угол взлета маятника после удара.
Рисунок 3 – Расчетная схема для определения энергии удара
Обычно произведение QR выбивается на диске маятника, и, зная углы α и β, легко подсчитать работу, затраченную на излом образца.
Маятниковый копер снабжён специальным измерительным устройством, которое позволяет во время опыта непосредственно зафиксировать эту работу. Измерительное устройство (рисунок 2) состоит из двух горизонтально расположенных планок, одна из которых – 7 – соединена со шкалой 8, а другая – с указателем 9, перемещающимся вдоль шкалы. При отвесном положении маятника обе планки находятся на одном уровне, а специально укреплённый на оси маятника ролик 6 находится между ними.
При подъёме в положение “зарядка” ролик приподнимает планку 7 и связанную с ней шкалу 8. Так как ролик жёстко связан с маятником, то перемещение шкалы будет пропорционально высоте подъёма центра тяжести маятника, т.е. запасу энергии мятника перед падением. После подъема планку с указателем 9, свободно перемещающуюся вдоль шкалы 8, опускают в нижнее положение. При рабочем падении маятника шкала будет удерживаться специальным контргрузом. При взлете маятника после удара ролик возвратится к левой планке и, поднимаясь вместе с маятником, будет приподнимать эту планку с указателем 9 вверх по шкале 8. Высота этого подъёма, так же, как и перемещение шкалы 8 при «зарядке», будет пропорциональна высоте подъёма центра тяжести маятника, т.е. запасу энергии после удара. Так как шкала 11 проградуирована в кГ·м, то указатель на шкале даст значение работы, затраченной на излом образца.
3. НЕОБХОДИМЫЕ ОБОРУДОВАНИЕ, ПРИБОРЫ, МАТЕРИАЛЫ
3.1 Испытательная машина.
3.2 Штангенциркуль.
3.3 Образец для испытания на ударную вязкость с U-образным надрезом.
4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ И СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
4.1. Порядок проведения опыта
4.1.1. Перед началом испытаний проверяют правильность работы измерительного приспособления копра. Для этого копер испытывается при свободном полёте маятника. При этом указатель измерительного устройства должен указывать на “нуль” с точностью до 1 Н·м.
4.1.2. Фиксируют маятник в положении «зарядка». Высоту подъёма желательно для уменьшения абсолютной погрешности испытания избрать такой, чтобы маятник обладал энергией, близкой к той, которая необходима для разрушения образца.
3. Произведя измерение образца штангенциркулем, и убедившись в том, что он соответствует требованиям ГОСТа, устанавливают его на две опоры копра так, чтобы нож маятника приходился строго против надреза с противоположной стороны, а образец плотно, без зазоров, прилегал к опорам копра. Расстояние между опорами для основного стандартного образца должно быть 40 мм. Затем, опускают защёлку, и, срывая маятник с подъемной рамы прикрепленным к нему стальным тросиком, дёрнув за присоединённую к тросику ручку, производят удар по образцу.
4.1.3. После остановки маятника канатным тормозом, отсчитывают работу, затраченную на излом образца.
Ударную вязкость данной стали определяют не менее чем на трёх образцах (в технических условиях может быть оговорено и другое число образцов).
4.2. Оформление отчёта по лабораторной работе
4.2.1. Схема маятникового копра МК-30.
4.2.2. Характеристика копра:
Наибольшая работа при ударе U0, Н·м
4.2.3. Эскизы образца.
4.2.4. Данные опыта.
Работы, затраченные на разрушение образца:
K1 = Н·м; K2 = Н·м; K3 = Н·м.
Площадь ослабленного сечения: A = м².
Ударная вязкость образцов:
Ударная вязкость стали:
|
|
5. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
5.1. Г.И. Сильман. Материаловедение: учеб. пособие для вузов по специ-альностям направления подгот. "Металлургия, машиностроиние и материалопереработка" / Г. И. Сильман. - М.: Академия, 2008. - 335 с.
5.2. Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. Материаловедение. М.: Машинострое-ние, 1990. – С. 87-92.
5.3. Ю.А. Геллер, А.Г. Рахштадт. Материаловедение. М.: Металлургия, 1983. – С. 117-126.
5.4. В.С. Золотаревский. Механические свойства металлов. М.: Металлур-гия, 1983. – С. 146-183.
ИСПЫТАНИЯ НА ТВЕРДОСТЬ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучение методов определения твёрдости металлов. Получение навыков применения этих методов на практике, а также использования приборов для определения твёрдости. Изучить связь между твёрдостью и другими механическими характеристиками материалов.
2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Твёрдостью называют свойство материала сопротивляться проникновению в него другого тела, не получающего остаточной деформации. Определение твёрдости является широко применяемым в лабораторных и заводских условиях методом испытаний для характеристики механических свойств металлов. Именно на этом методе основан контроль термической обработки металлов, определение эксплуатационных характеристик деталей и изделий при различных напряжениях, а также выбор режимов механической обработки. Под твёрдостью подразумеваются разнообразные характеристики сопротивляемости металла местной, сосредоточенной в небольшом объёме деформации на его внешней поверхности.
Твёрдость металлов измеряется при помощи воздействия на их поверхность наконечника (индентора), изготовленного из малодеформирующегося материала (закалённая сталь, алмаз, сапфир или твёрдый сплав).
В технике применяются достаточно проверенные эмпирические (полученные из опыта) зависимости между твёрдостью и рядом других механических характеристик, получаемых при различных испытаниях материалов. Поскольку определение твёрдости является значительно менее трудоёмкой операцией, чем большинство других видов испытаний, и не сопровождается разрушением образца или детали, этот вид испытаний широко распространён в промышленности.
Существует несколько методов определения твёрдости, применяющихся на практике, числовые значения твёрдости которых, сравнимы между собой при соблюдении законов подобия. Для получения сравнительных результатов при определении твёрдости применяют стандартные наконечники, вдавливаемые в поверхность испытуемого материала, и стандартизируются условия испытаний.
Основными методами измерения твёрдости являются:
• метод Бринелля – измерение твёрдости вдавливанием стального закалённого шарика (HB);
• метод Роквелла – измерение твёрдости вдавливанием наконечника стандартного типа (алмазный конус или стальной шарик) (HRA, HRB, HRC);
• метод Виккерса – измерение твёрдости вдавливанием алмазной пирамиды (HV).
Существуют и другие методы определения твёрдости, как, например, метод ударного внедрения наконечника в образец, метод царапанья образца и другие. Однако, они не стандартизированы и используются лишь при специальных испытаниях, когда применение стандартизированных методов по тем или иным причинам невозможно.
Метод испытания твёрдости по Бринеллю. (ГОСТ 9012-59)
Этот метод основан на вдавливании стального закалённого шарика определённого диаметра под действием заданной нагрузки в испытуемую поверхность в течении определённого интервала времени. Твёрдость в данном случае определяют как среднее нормальное условное напряжение, вычисляемое путём деления значения нагрузки на площадь сферического отпечатка.
Величина твёрдости обозначается через HB, и подсчитывается по формуле
, (1)
где D – диаметр шарика, мм; P – нагрузка на шарик, кгс; d – диаметр отпечатка, мм.
Рисунок 1 – Схема определения твёрдости по Бринеллю
ГОСТ 9012-59 регламентирует диаметры шарика и нагрузку, прикладываемую к образцу. Для того чтобы не производить подсчётов по формуле (1) в ГОСТе даны таблицы чисел твёрдости, зависящие от диаметра отпечатка, нагрузки и диаметра шарика. Полученное число твёрдости при прочих равных условиях определяется диаметром отпечатка d. Последний тем меньше, чем выше твёрдость испытуемого металла. В зависимости от размеров и вида материала ГОСТом устанавливаются нормы для испытаний по методу Бринелля (таблица 1). При указании твёрдости HB иногда указывают принятые нагрузку и диаметр шарика.
Между пределом прочности и числом твёрдости HB различных металлов существует следующая зависимость [4]:
Сталь с твёрдостью HB:
120-175 В0,34 HB
175-450 В0,35 HB
Медь, латунь, бронза:
отожженная В0,55 HB
наклепанная В0,40 HB
Алюминий и его сплавы с твёрдостью HB:
20-45 В(0,33-0,36)HB
Дюралюмин:
отожжённый В0,36 HB
после закалки и старения В0,35 HB
Таблица 1
Область применения метода Бринелля
|
Материал |
Твёр-дость (HB) |
Толщина образца, мм |
Соотношение между P и D |
Диаметр шарика D, мм |
Нагрузка P, кгс |
Выдержка под нагрузкой, с |
|
Чёрные металлы |
140-450 |
>6 3…6 <3 |
P=30 D2 |
10 5 2,5 |
3000 750 187,5 |
10 |
|
до 140 |
>6 3…6 <3 |
P=30 D2 |
10 5 2,5 |
3000 750 187,5 |
30 |
|
|
Цветные металлы и сплавы (медь, латунь, бронза, магниевые сплавы и др.) |
31,8-130 |
>6 3…6 <3 |
P=10 D2 |
10 5 2,5 |
1000 250 62,5 |
30 |
|
Цветные металлы и сплавы (алюминий, подшипни-ковые сплавы) |
8-35 |
>6 3…6 <3 |
P=2,5 D2 |
10 5 2,5 |
60 |
Измерение твёрдости по методу Бринелля не является универсальным методом. Этот метод не позволяет: а) испытывать материалы с твёрдостью более HB 450; б) измерять твёрдость тонкого поверхностного слоя (толщиной менее 1…2 мм), т.к. стальной шарик продавливает этот слой и проникает на большую глубину. Толщина измеряемого слоя (или образца) должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка.
Результаты испытаний будут считаться недействительными, если после получения отпечатка боковые или нижняя стороны образца деформируются. Расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее чем 2,5d, а расстояние между центрами двух соседних отпечатков не менее 4,0d. Результаты испытаний не должны быть искажены явлениями вспучивания краёв образцов.
Диаметр отпечатка следует измерять в двух перпендикулярных направлениях и определять его как среднее арифметическое из двух измерений. Разность измерений диаметров одного отпечатка не должна превышать 2% от меньшего из них.
Измерение твёрдости методом Бринелля производится на специальных прессах Бринелля (например, ТШ-2) (рисунок 2).
Рисунок 2 – Установка для испытания на твёрдость методом Бринелля
1- столик для центровки образца;
2- маховик; 3- грузы;
4- шарик;
5- электродвигатель
Испытуемый образец устанавливают на столике 1 в нижний части неподвижной станины пресса, подготовленной (зашлифованной) поверхностью кверху. Поворотом вручную маховичка 2 по часовой стрелке столик прибора поднимают так, чтобы шарик мог вдавиться в испытуемую поверхность. В прессах с электродвигателем вращают маховик 2 до упора и нажатием кнопки включают двигатель 5. Последний сначала перемещает коромысло и постепенно нагружает шток, а следовательно, и вдавливает шарик под действием нагрузки, сообщённой привешенным к коромыслу грузом. Эта нагрузка действует в течении заданного времени, после чего вал двигателя, вращаясь в обратную сторону, соответственно перемещает коромысло и снимает нагрузку. После автоматического выключения двигателя, поворачивая маховичок 2 против часовой стрелки, опускают столик прибора и снимают образец.
В образце остаётся отпечаток со сферической поверхностью (лункой). Диаметр отпечатка измеряют специальным микроскопом Бринелля.
Метод испытания твёрдости по Роквеллу. (ГОСТ 9013-59)
Принципиальное отличие данного способа от рассмотренного выше измерения по Бринеллю состоит в том, что твёрдость определяют не по площади, а по глубине отпечатка. Твёрдость металлов по этому методу измеряют вдавливанием в испытуемый образец алмазного конуса или стального шарика под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной, равной 10 кгс, и общей, равной сумме предварительной и основной нагрузок.
Разность глубин, на которые проникает алмазный конус или стальной шарик под действием этих двух нагрузок, характеризует твёрдость испытуемого металла.
На рисунке 3 показана схема измерения твёрдости. Предварительная нагрузка P0 равна 10 кгс, основная P1 зависит от применяемой шкалы. Предусмотрено три шкалы A, B, C и, соответственно три различных разновидности этого метода. Измерения по шкале А (обозначается HRA) производятся при вдавливании алмазного конуса (угол при вершине 120°) и основной нагрузке 50 кгс, и предназначены для испытания очень твёрдых и более тонких материалов. Измерения по шкале В (HRB) производятся при вдавливании стального шарика (диаметр 1,588 мм или 1/16) и основной нагрузке 90 кгс, и предназначены для испытания незакалённых образцов и деталей из мягких металлов. Наиболее всего распространены измерения по шкале С (HRC), производимые при вдавливании алмазного конуса (угол при вершине 120°) и основной нагрузке 140 кгс – для закалённой или низкоотпущенной стали, для материалов средней твёрдости, а также для определения твёрдости тонких поверхностных слоёв, но толщиной более 0,5 мм. Допускаемые пределы измерения твёрдости составляют: для шкалы А – 70...85, В – 25...100, С – 20...67.
Рисунок 3 – Схема измерения твёрдости по методу Роквелла
Твёрдость измеряется в условных единицах. Единице твёрдости соответствует осевое перемещение индентора на 0,002 мм. Числа твёрдости по Роквеллу (HR) выражают следующими формулами:
HR=100-e – при измерении по шкалам А и С;
HR=130-e – при измерении по шкале B.
Величину e определяют по формуле (см. рисунок 3):
,
где h – глубина внедрения наконечника в испытуемый материал под действием общей нагрузки P, измеренная после снятия основной нагрузки P1 с оставлением предварительной нагрузки P0; h0 – глубина внедрения наконечника в испытуемый материал под действием нагрузки P0.
Твёрдость следует измерять не менее, чем в трёх точках. Для расчёта принимают среднее значение результатов второго и третьего измерений.
Измерение твёрдости по Роквеллу требует меньше времени, чем по Бринеллю, причём результат измерения виден на шкале (он указан стрелкой). Кроме того, измерение твёрдости по Роквеллу оставляет меньший отпечаток на поверхности детали, в связи с чем этот метод получил большее распространение.
Твёрдость по Роквеллу (рисунок 4) вне зависимости от особенностей конструкции прибора определяют следующим образом:
1. Испытуемый образец помещают на предметный стол прибора. При этом основная и предварительная нагрузки не должны воздействовать на индентор, а стрелка индикатора должна находиться на произвольном делении (рисунок 4,а).
2. Подъёмом предмет ного стола внедряют индентор в испытуемый образец под действием только предварительной нагрузки, равной 10 кгс. При этом стрелка индикатора устана вливается на нуль (рисунок 4,б).
3. Когда под действием предварительной и основной нагрузок индентор вдавлен в образец, индикатор указывает перемещение наконечника под действием основной нагрузки в результате пластической и упругой деформаций образца (рисунок 4,в).
4. Снимают основную нагрузку, воздействую пи этом на индентор предварительной нагрузкой. Индикатор в это время фиксирует твёрдость (рисунок 4,г).
После снятия предварительной нагрузки прибор готов к новому испытанию.
Рисунок 4 - Принцип действия прибора Роквелла
Рисунок 5 – Схема определения твёрдости
по Виккерсу
Метод испытания твёрдости по Виккерсу. (ГОСТ 2999-59)
Метод определения твёрдости вдавливани-ем алмазной пирамиды по Виккерсу применяют главным образом для испытаний металлов высокой твёрдости, а также деталей весьма малых сечений или тонких наружных слоёв: цементированных, азотированных и др. Этот метод заключается во вдавливании в измеряемую поверхность четырёхгранной алмазной пирамиды с углом между гранями 136°. При этом число твёрдости есть частное от деления нагрузки в кгс на боковую поверхность отпечатка в мм2, вычисленную по диагоналям (рисунок 5).
Число твёрдости подсчитывают по формуле
,
где P – нагрузка на пирамиду, кгс; =136° – угол между противоположными гранями пирамиды; d – среднее арифметическое из обеих диагоналей отпечатка, мм.
Этой формулой обычно не пользуются, так как число твёрдости определяют в зависимости от диагонали отпечатка по таблицам ГОСТ 2999-75.
Для испытаний стандарт рекомендует одну из следующих нагрузок: 5, 10, 20, 30, 50 и 100 кгс.
Для получения наиболее точного результата испытания нагрузка должна быть возможно большей и такой, чтобы отношение толщины испытуемой части образца после его испытания не обнаружили место, в котором проводили испытание. Однако при испытании твёрдого материала (при HV более 500) рекомендуется применять нагрузки не более 50 кгс, во избежание повреждения алмаза. Иногда для тонких и твёрдых слоёв используют меньшие нагрузки, не указанные в стандарте.
Метод испытания на микротвёрдость
Этот метод применяют, когда необходимо определить твёрдость в микроскопически малых объёмах. Такая задача возникает при необходимости измерения твёрдости тонких гальванических защитных покрытий, отдельных структурных составляющих различных сплавов, а также при измерении твёрдости мелких деталей.
Измерение микротвёрдости принципиально не отличаются от метода Виккерса, за исключением очень малых значений нагрузок при вдавливании наконечника. Прибор для определения микротвёрдости состоит из механизма для вдавливания алмазной пирамиды под небольшой нагрузкой и металлографического микроскопа. В испытуемую поверхность вдавливают алмазную пирамиду под нагрузкой 5-500 гс, в течении примерно 5 с. Величина твёрдости обозначается через H (при символе H нередко ставят индекс, показывающий величину нагрузки в граммах, например H50 200), и определяется аналогично методу Виккерса. Образцы для измерений должны быть подготовлены так же, как микрошлифы.
На практике используется ещё несколько методов измерения твёрдости металлов. Например, метод царапанья, когда острым наконечником, прижатым с определённым усилием к испытываемому телу, делают царапину, по ширине которой оценивают твёрдость. Распространён также метод отскока. Стальной закалённый шарик сбрасывают с определённой высоты на подготовленную должным образом поверхность испытуемого материала. По высоте подскока судят о твёрдости испытуемого материала. Чаще вместо шарика применяют боёк с алмазным наконечником определённой формы (метод Шора). Кроме того, твёрдость определяют по отпечатку, полученному в результате ударного внедрения в испытуемый материал стального закалённого шарика (метод Польди), метод качания маятника и др.
В настоящее время эти методы, за исключением метода Шора практически не применяются, главным образом из-за значительной погрешности и сложности воспроизведения одинаковых условий испытания при смене образцов, контролируемых на твёрдость.
Следует отметить, что существуют и косвенные, бесконтактные методы контроля твёрдости, т.е. без вдавливания индентора под нагрузкой. Эти методы основаны на функциональной зависимости, получаемой опытным путём между твёрдостью детали и её электромагнитными свойствами. Такие методы применяют не для количественной, а для качественной оценки твёрдости материалов типа «годен» – «не годен». Их использование позволяет автоматизировать контроль твёрдости деталей в условиях серийного и массового производства.
3. НЕОБХОДИМЫЕ ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
3.1. Пресс Бринелля.
3.2. Прибор Роквелла.
3.3. Заготовки и образцы для измерения твёрдости из различных материалов.
3.4. Эталонные меры твёрдости.
4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА
4.1. Изучить методы измерения твёрдости, научиться пользоваться переводными таблицами, позволяющими переводить значения твёрдости между различными методами. Научиться пользоваться приборами для измерения твёрдости, изучить особенности их конструкций. Замерить твёрдость образцов из низко- и среднеуглеродистой стали методами Роквелла и Бринелля, сравнить полученные значения с помощью переводных таблиц.
4.2. В отчёте занести краткие теоретические сведения о методах измерения твёрдости, применяемом оборудовании, связи твёрдости с механическими свойствами. Указать результаты измерений твёрдости образцов различными методами, а также с использованием переводных таблиц.
5. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
5.1. Г.И. Сильман. Материаловедение: учеб. пособие для вузов по специ-альностям направления подгот. "Металлургия, машиностроиние и материалопереработка" / Г. И. Сильман. - М.: Академия, 2008. - 335 с.
5.2. Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. Материаловедение. М.: Машинострое-ние, 1990. – С. 87-92.
5.3. Ю.А. Геллер, А.Г. Рахштадт. Материаловедение. М.: Металлургия, 1983. – С. 117-126.
5.4. В.С. Золотаревский. Механические свойства металлов. М.: Металлур-гия, 1983. – С. 146-183.
ПРИЛОЖЕНИЕ А (справочное)
Таблица перевода значений твердости
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТЛИВКИ В РАЗОВОЙ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЕ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: получить практический навык в изготовлении отливки, изучить устройство литейной формы, назначение модельного комплекта, применяемые формовочные материалы и инструмент; познакомиться с основными операциями технологического процесса.
2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Литейное производство – отрасль машиностроения, занимающаяся изготовлением заготовок или деталей путём заливки расплавленного металла в форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки (детали). После затвердевания металла в форме получается отливка (литая деталь или заготовка).
Большая часть отливок изготавливается литьём в песчаные формы. Упрощённая схема технологического процесса получения отливок в песчаных формах представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема технологического процесса получения отливок
в песчаных формах
Литейная форма – это система элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом формируется отливка. Литейная разовая песчаная форма в большинстве случаев состоит из двух полуформ – верхней и нижней, которые изготовляют в опоках – специальных металлических рамках; литниковой системы, прибылей и, при необходимости, стержней.
Литниковая система – это система каналов и резервуаров, с помощью которых расплав подаётся в полость формы (рисунок 2). Она состоит из литниковой воронки или чаши (для удобства заливки жидкого металла и обеспечения постоянной скорости заливки), стояка (вертикального или наклонного канала для передачи металла другим элементам литниковой системы), шлакоуловителя (для задерживания шлаковых включений и подвода металла к питателям; при разливке из стопорного ковша стали, свободной от шлаков, этот канал называется горизонтальным ходом, для отливок из цветных сплавов – коллектором).
Рисунок 2 – Эскиз модели литниковой системы
Для питания отливки во время затвердевания служат прибыли, необходимые для предотвращения образования в отливках усадочных раковин. В некоторых случаях, например при использовании сплавов с малой объёмной усадкой или при отсутствии в отливке массивных частей прибыли можно не предусматривать.
Литейный стержень – технологический элемент, с помощью которого выполняются внутренние полости (отверстия) отливки или наружные поверхности, которые нельзя получить формой. Получают их в стержневых ящиках из стержневых смесей. Стержни изготовляют со стержневыми знаками (выступающими частями, не образующими непосредственно конфигурацию отливки). При помощи знаков стержень укрепляется и фиксируется в форме.
Формовочные материалы – это природные и искусственные материалы, используемые для изготовления формовочных и стержневых смесей.
Формовочные и стержневые смеси состоят из исходных формовочных материалов и отработанных. Они включают в себя кварцевый песок различной зернистости, связующее (формовочные глины, смолы, жидкое стекло) и различные добавки (мазут, графит, древесную муку и др.).
Формовочные смеси должны обладать хорошей формуемостью, податливостью, выбиваемостью, высокой газопроницаемостью, высокой прочностью в сухом состоянии и теплостойкостью. Для стержневых смесей предъявляются более высокие требования, чем для формовочных, так как стержень обычно работает в более тяжёлых условиях, чем форма.
В данной работе использованы формовочные и стержневые смеси следующего состава, мас.%: кварцевый песок – 8-10, огнеупорная глина – 8-12, вода – 4-6, отработанная смесь – остальное.
В качестве расплавленного металла для отливок в машиностроении используют серые, ковкие и высокопрочные чугуны, литейные стали и цветные сплавы.
Модельный комплект включает в себя:
- литейную модель (рисунок 3,б), с помощью которой в форме получают отпечаток, соответствующий конфигурации отливки. Литейная модель изготавливается по чертежу детали (рисунок 3,а) из дерева (единичное и мелкосерийное производство), чугуна, алюминиевых сплавов, пластмасс (крупносерийное и массовое производство) и может быть разъёмной, неразъёмной и специальной. Модель отличается от отливки размерами, наличием формовочных уклонов, облегчающих извлечение модели из формы, и знаковых частей, предназначенных для установки стержня;
- модели элементов литниковой системы (для получения в форме системы каналов, подводящих жидкий металл из ковша в полость формы);
- стержневые ящики (для изготовления стержней);
- подмодельные плиты (формируют разъём литейной формы, на них закрепляют части модели);
- контрольные и сборочные шаблоны.
При формовке используется следующий формовочный инструмент:
- трамбовка (для уплотнения формовочной смеси);
- гладилка (для исправления дефектов формы и прорезания литниковых каналов);
- формовочная линейка (для срезания излишков смеси);
- подъёмники (для извлечения моделей из формы);
- душник (для выполнения вентиляционных каналов);
- лопата (для засыпания формовочной смеси);
- деревянный молоток (для уплотнения смеси и расталкивания моделей).
Последовательность изготовления отливки в песчаной форме:
В модельном цехе по чертежу детали (рисунок 3,а) изготовляют из древесины, пластмассы или металла модель и стержневой ящик. Для удобства изготовления литейной формы и стержня модель (рисунок 3,б) и стержневой ящик (рисунок 3,в) делают разъёмными.
В стержневом отделении в стержневом ящике (рисунок 3,в) из стержневой смеси изготовляют стержень. Для повышения прочности стержней их сушат в сушильных печах.
В формовочном отделении из формовочной смеси по модели изготавливают литейную форму (рисунок 4). Для этого на подмодельную плиту 1 ставят половину модели 2 и нижнюю опоку 3, засыпают смесь в опоку и уплотняют её. Опоку переворачивают, на заформованную половину модели ставят вторую её половину 4 и модель литниковой системы 5. Затем устанавливают верхнюю опоку 6, засыпают в неё формовочную смесь и уплотняют. Далее поднимают верхнюю полуформу, извлекают из обеих полуформ половинки модели, устанавливают в форму стержень и накрывают верхнюю полуформу. Форма в сборе показана на рисунке 5.
В плавильном отделении в специальных плавильных печах расплавляют металл и заливают его в формы. После затвердевания металла в форме образуется отливка, которую извлекают, разрушая форму.
В очистном отделении из отливок выбивают стержни, отбивают или отрезают литниковую систему, очищают отливку от пригоревшей формовочной смеси, зачищают остатки литника и, при необходимости, термически обрабатывают. После очистки и контроля отливку направляют в механический цех для обработки или на склад готовой продукции.
Рисунок 3 – Эскиз детали (а), модели (б) и стержневого ящика (в)
Рисунок 4 – Порядок изготовления литейной формы
Рисунок 5 – Форма в сборе
3. НЕОБХОДИМЫЕ ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ
3.1. Модельный комплект, опоки.
3.2. Формовочные материалы.
3.3. Формовочный инструмент.
3.4. Материалы для выплавки сплава (силуминовый бой).
3.5. Шахтная печь, тигель для плавки металла.
4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА
4.1. Под руководством учебного мастера выполнить необходимые операции по изготовлению разовой литейной формы и отливки
4.2. В отчёте перечислить основные операции изготовления формы и отливки, проиллюстрировав их необходимыми схемами и рисунками, привести состав формовочной смеси, охарактеризовать, что включает в себя модельный комплект и формовочный инструмент.
5. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
5.1. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных ВУЗов / А.М. Дальский, Т.М. Барсукова, Л.Н. Бухаркин и др.; Под общ. ред. А.М. Дальского. – 5-е изд., испр. – М. Машиностроение, 2009. – 511 с.
5.2. Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов: Учеб. для ВУЗов по машиностроительным специальностям / Г.П. Фетисов, М.Г. Кафпман, В.М. Матюнин и др. – М.: Высш. шк., 2009. – 637 с.
5.3. Сильман, Г.И. Разработка технологии изготовления отливки. Методические указания к лабораторной работе №14. – Брянск: Изд-во БГИТА, 2000. – 10 с.
ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
НА СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: исследовать характер влияния степени деформации при обработке давлением на структуру и твёрдость низкоуглеродистой стали.
2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Обработка металлов давлением является высокопроизводительным и малоотходным методом получения заготовок самой различной формы и размеров. Она основана на способности металлов пластически деформироваться под действием внешних сил. Пластической деформации всегда предшествует упругая, при которой атомы смещаются один относительно другого на величину, меньшую межатомных расстояний, и тело после снятия внешней нагрузки полностью восстанавливает исходные форму и размеры. При пластической деформации атомы смещаются относительно друг друга на расстояния, превышающие межатомные, и после снятия внешней нагрузки не возвращаются в исходные положения; в результате изменяются форма и размеры деформируемого тела (рисунок 1,а). Пластическая деформация выражается в скольжении одних частей кристаллов относительно других по плоскостям наиболее плотного размещения атомов (плоскостям скольжения) без изменения расстояния между этими плоскостями. При этом силовое воздействие между атомами не исчезает и деформация протекает без нарушения сплошности и без изменения объёма деформируемого тела.
Рисунок 1 - Схемы: а – упругой и пластической деформации;
б, в – микроструктуры литого и деформированного металла;
г – волокнистой структуры деформированного металла
В реальных металлах и сплавах, представляющих собой поликристаллические тела, в результате изменения формы, сдвигов и поворотов зёрен при пластической деформации возникает преимущественная ориентировка их кристаллических решёток, называемая текстурой деформации. В результате пластической деформации зёрна и межзёренные прослойки с повышенным содержанием примесей (серы, кислорода, фосфора и других) вытягиваются в направлении наибольшей деформации, что приводит к образованию полосчатости, или волокнистости, структуры (рисунок 1,в), в отличие от литого состояния. Деформированный металл имеет резко выраженную анизотропию (неоднородность свойств в различных направлениях). Наиболее высокие показатели прочности, пластичности и вязкости имеют продольные образцы (расположенные при вырезке из заготовок в направлении деформации), наиболее низкие – поперечные образцы. Соотношение показателей свойств, полученных на продольных и поперечных образцах, характеризуют степень анизотропии.
Пластическая деформация приводит к значительному изменению механических, физических и химических свойств металлов вследствие увеличения количества дислокаций, вакансий и дислоцированных атомов, а также искажения кристаллической решётки. С увеличением степени деформации повышаются прочность и твёрдость и снижаются пластичность и вязкость (рисунок 2), увеличивается электрическое сопротивление, уменьшаются сопротивление коррозии и теплопроводность. Совокупность явлений, связанных с изменением механических, физических и химических свойств металла в процессе пластической деформации, называется упрочнением (наклёпом).
Рисунок 2 - Влияние пластической деформации на механические свойства стали
Основная часть энергии (до 90…95%), затрачиваемой на деформирование металла, превращается в тепловую, нагревающую металл, остальная часть энергии поглощается металлом и аккумулируется в виде повышенной свободной энергии смещённых атомов. В связи с тем, что любая система стремится к состоянию, когда уровень её свободной энергии наименьший, деформированный металл является термодинамически неустойчивым и при его нагреве протекают процессы возврата и рекристаллизации, обуславливающие возвращение всех свойств к свойствам металла до деформации.
При нагреве деформированного металла до сравнительно низких температур, обычно ниже 0,2…0,3 Тпл (Тпл – абсолютная температура плавления металла), происходит процесс возврата, под которым понимают повышение структурного совершенства упрочнённого металла без изменения структуры, уменьшение количества точечных дефектов кристаллической решётки, перераспределение, слияние и частичное устранение дислокаций (рисунок 3).
Рисунок 3 – Изменение структуры и механических свойств холоднодефор- мированного металла при нагреве
При нагреве металла до более высоких температур значительно увеличивается амплитуда тепловых колебаний атомов и создаются условия для перестройки зёрен. При температурах больше температуры возврата образуются зародыши новых зёрен с неискажённой кристаллической решёткой и значительно меньшей плотностью дислокаций. При дальнейшем нагреве продолжается процесс образования новых равноосных зёрен вместо ориентированной волокнистой структуры. Этот процесс называется первичной кристаллизацией. В дальнейшем новые зёрна взаимодействуют друг с другом, сливаются и укрупняются – происходит собирательная рекристаллизация; в итоге практически полностью устраняются последствия упрочнения и свойства металла приближаются к исходным. Согласно многочисленным исследованиям, температура начала кристаллизации составляет 0,4…0,6 Тпл для технических сплавов и 0,2…0,4 Тпл для чистых металлов.
Различают холодную, горячую неполную холодную и неполную горячую пластическую деформации. При холодной деформации рекристаллизация и возврат полностью отсутствуют и деформированный металл имеет все признаки упрочнения. Горячей деформацией называют такую, во время которой процесс рекристаллизации успевает произойти полностью. В результате горячей деформации металл получает равноосную микроструктуру при отсутствии каких-либо следов упрочнения. При неполной холодной и горячей деформации имеет место частичное упрочнение металла. В таблице 1 приведены теоретические температура рекристаллизации равные 0,4 Тпл, а также температуры рекристаллизационного отжига и горячей обработки давлением.
Таблица 1
Температура рекристаллизации и горячей обработки металлов давлением
|
Металл |
Температура, °С |
||
|
рекристаллизации |
рекристаллизационного отжига |
горячей обработки давлением (начало – конец) |
|
|
Железо |
450 |
600…700 |
1300…800 |
|
Сталь 45 |
450 |
600…700 |
1200…750 |
|
Сталь У10 |
450 |
600…700 |
1100…850 |
|
Медь |
270 |
450…500 |
800…600 |
|
Латунь |
250 |
400…500 |
750…600 |
|
Алюминий |
50 |
250…350 |
460…350 |
|
Молибден |
900 |
1400…1600 |
2000…1400 |
При горячей обработке резко понижается усилие деформации и в связи с этим снижаются затраты энергии на обработку. Однако горячей обработке присущи и определённые недостатки, в отдельных случаях делающие более выгодной холодную деформацию. Практически невозможно выдержать температурный режим для мелких заготовок (диаметром менее 5…7 мм), что исключает возможность их горячей обработки. При нагреве металл окисляется, что затрудняет последующую обработку давлением, резанием, снижает точность размеров готовых поковок, ухудшает шероховатость их поверхности. Часть металла теряется в виде окалины. Благодаря процессу рекристаллизации горячая обработка не позволяет получать изделия с высокой прочностью, твёрдостью и другими свойствами, характерными для холоднодеформированного металла. Горячедеформированному металлу присуща более высокая неоднородность свойств по сечению и длине детали.
Степень изменения структуры и свойств при пластической деформации зависит от степени деформации . Для условий сжатия степень деформации принято выражать по формуле:
,
где – степень деформации;
H – начальная высота заготовки;
h – конечная высота заготовки (рисунок 4).
Максимальная степень деформации, обеспечивающая формоизменение металла без нарушения его сплошности, характеризует пластичность материала. Более пластичные материалы допускают более значительное формоизменение при получении профилей определённого размера.
Рисунок 4 - Схема деформирования образцов
3. НЕОБХОДИМЫЕ ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ
3.1. Образцы из низкоуглеродистой стали.
3.2. Пресс для осуществления деформации образцов.
3.3. Прибор для измерения твёрдости методом Роквелла.
3.4. Штангенциркуль.
4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА
4.1. Деформирование образцов на прессе осуществляет учебный мастер.
4.2. С помощью штангенциркуля измерить исходные размеры образцов и рассчитать величину осадки (H-h), необходимую для получения степени деформации 20, 30 и 40%.
4.3. Измерить твёрдость образцов.
4.4. В соответствие со схемой деформации (рисунок 4) провести осадку трёх образцов на 20, 30 и 40% (предварительно смазать торцы графитовой пудрой).
4.5. Измерить твёрдость образцов после осадки.
4.6. Построить график зависимости твёрдости от степени деформации в координатах –HRB.
4.7. Привести в отчёте цель исследования, краткие теоретические сведения, экспериментальные данные (результаты измерений и их обработка), выводы.
5. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
5.1. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных ВУЗов / А.М. Дальский, Т.М. Барсукова, Л.Н. Бухаркин и др.; Под общ. ред. А.М. Дальского. – 5-е изд., испр. – М. Машиностроение, 2009. – 511 с.
5.2. Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов: Учеб. для ВУЗов по машиностроительным специальностям / Г.П. Фетисов, М.Г. Кафпман, В.М. Матюнин и др. – М.: Высш. шк., 2009. – 637 с.
Лабораторная работа № 6
РУЧНАЯ ДУГОВАЯ СВАРКА И ЕЁ ПРИМЕНЕНИЕ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить сущность и виды электродуговой сварки и её применение. Освоить технику ручной дуговой сварки, научиться наплавлять валик.
2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Сварка – технологический процесс получения неразъемных соединений из металлов, их сплавов и других материалов.
Электродуговая сварка относится к сварке металлов плавлением (термической сварке), сущность которой заключается в расплавлении кромок свариваемых соединений.
Источником теплоты при дуговой сварке является электрическая дуга, которая горит между двумя электродами, при этом часто один электрод представляет собой свариваемую заготовку.
Для питания сварочной дуги применяют источники переменного тока (сварочные трансформаторы) и источники постоянного тока (сварочные генераторы).
При применении постоянного тока различают сварку на прямой и обратной полярностях. В первом случае электрод подключается к отрица-тельному полюсу, во втором – к положительному.
Дуговая сварка может проводиться неплавящимся и плавящимся электродом.
Сварка неплавящимся электродом проводится по методу Н.Н.Бенардоса (рисунок 1, а). При этом электрод 1 изготавливается из какого-либо тугоплавкого материала, питание дуги 2 обеспечивают источники постоянного тока, дуга расплавляет основной 3 и дополнительный металл 4. Схема включения электрода и изделия в электрическую цепь соответствует сварке при прямой полярности, т.е. электрод – катод, изделие – анод.
Рисунок 1 - Виды сварки: а – неплавящимся электродом
(по методу Н.Н.Бенардоса); б – плавящимся
электродом (по методу Н.Г.Славянова)
Сварка плавящимся электродом по методу Н.Г.Славянова осуществляется от источников переменного или постоянного тока (рисунок 1, б). При этом дуга расплавляет основной металл и металлический электрод.
Неплавящиеся электроды представляют собой стержни, изготавливаемые из чистого вольфрама, электротехнического угля и синтетического графита.
Плавящиеся электроды состоят из металлического стержня и покрытия. Металлические стержни изготовляют из специальной сварочной проволоки (стальной, из алюминиевых, медных и титановых сплавов). Все марки стальной сварочной проволоки в зависимости от химического состава разделяют на три группы: углеродистую (Св-08; Св-10ГС и др.), легированную (Св-18ХМА; Св-10Х5М и др.) и высоколегированную (Св-06Х19Н10М5Т; Св-07Х25Н13 и др.). В марках проволоки «Св» обозначает слово «сварочная».
Назначение покрытия – защита зоны сварки от воздействия воздуха, легирование металла сварного шва полезными компонентами, стабилизация горения дуги и удаление вредных примесей из сварочной зоны. Покрытие наносится методом окунания или прессовки под давлением. В состав покрытий вводят шлакообразующие, газообразующие, связующие вещества, а также раскислители.
Электроды классифицируют по следующим признакам: типу покрытия, химическому составу жидкого шлака и назначению.
По назначению электроды подразделяют на следующие четыре группы: для сварки углеродистых и легированных конструкционных сталей; для сварки теплоустойчивых сталей; для сварки высоколегированных сталей; для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами.
Условное обозначение электродов для дуговой сварки и наплавки включает тип и марку электрода.
Типы электродов зависят от группы электродов по назначению.
Электроды для сварки конструкционных сталей подразделяют на типы Э34, Э42, …, Э45 в зависимости от механических свойств наплавленного металла. Цифры в обозначении означают прочность наплавленного металла в кгс/мм2. Например, электрод Э34 обеспечивает предел прочности сварного шва - в = 34 кгс/мм2 ( 340 МПа).
Электроды для сварки теплоустойчивых сталей подразделяют на типы Э-ХМ, Э-ХМФБ и др. в зависимости от химического состава наплавленного металла. Обозначение их аналогично маркировке легированных сталей. Буквы М, Х, Ф и Б означают легирование соответственно молибденом, хромом, ванадием и ниобием, повышающими теплоустойчивость сварного шва. Например, электрод Э-ХМ дает наплавку, содержащую до 1 % Cr и Mo.
Электроды для сварки высоколегированных сталей ЭА-3М6, ЭА-2Б и др. классифицируют по структуре и составу металла сварного шва. Принцип маркировки – как для высоколегированных сталей. Так, например, электрод ЭА-3М6 является электродом аустенитного типа (А – аустенит), обеспечивающим наплавку, содержащую 0,03 % С и 6 % Мо.
Обозначение наплавочных электродов соответствует химическому составу наплавки и ее твердости по Роквеллу. Буква У означает содержание углерода в десятых долях процента. Например, ЭН-У30Х28С4Н4-50 - электроды наплавочные (ЭН), дающие наплавку, содержащую 3% С, 28 % Cr, 4% Si, 4% Ni, и обладающие твердостью HRC 50.
Марка электрода (УОНИ-13/45, ЦЛ-18 и т.д.) определяет состав покрытия и характеризует его технологические свойства: род и полярность тока, возможность сварки в различных пространственных положениях и др.
Схема сварки покрытым электродом представлена на рисунке 2. Под воздействием сварочной дуги 7 стержень электрода 6 плавится, металл его в виде капель поступает в металлическую ванну 8. При этом также плавится покрытие 5 электрода, образующее газовую защитную атмосферу 4 и жидкую шлаковую ванну 3 на поверхности расплавленного металла. Металлическая и шлаковая ванны вместе образуют сварочную ванну, которая после затвердевания образует сварной шов 1. Жидкий шлак по мере остывания образует на поверхности твердую шлаковую корку 2.
Рисунок 2 - Схема сварки покрытым электродом
Применение. Ручная дуговая сварка покрытым электродом в силу простоты, универсальности и высокого качества швов находит широкое применение. Этот вид сварки применяется главным образом в изделиях, имеющих короткие и прерывистые швы, швы сложной конфигурации, т.е. там, где трудно или невыгодно применять автоматические методы сварки. Положительной стороной ручной дуговой сварки является возможность производить сварку в любом пространственном положении, что особенно важно для сварки в монтажных условиях.
К недостаткам ручной дуговой сварки относятся: трудности сварки тонкого материала (менее 1-2 мм), длительный срок обучения сварщика высокой квалификации (1,0-1,5 г), большая зависимость качества сварки от индивидуальных особенностей сварщика, малая производительность.
Ручной дуговой сваркой можно сваривать стали, чугун, медь и медные сплавы. Естественно, что для каждого металла и его сплавов необходимо применять соответствующие электродные проволоки и покрытия. Виды соединений для ручной дуговой сварки приведены на рисунке 3.
Рисунок 3 - Рекомендуемые типы соединений для ручной дуговой
сварки: стыковое без разделки кромок (а),
стыковые с V-образной разделкой кромок (б),
стыковое соединение с Х-образной разделкой
кромок (в), угловое (г, д, е), тавровое (ж, з),
нахлесточное (и)
Соединение стыковое без разделки кромок (рисунок 3, а) рекомендуется для толщин металла не более 3 мм. Наличие зазора обеспечивает полное проплавление. Зазор а при S = 1-2 мм должен быть равен 0-1 мм, а при S = 3 мм – а = 0-1,5 мм.
Соединения стыковые с V-образной разделкой кромок (рисунок 3, б) рекомендуются для толщины 3-21 мм. Если толщина больше (до 30 мм) или необходимо уменьшить угловые деформации и площадь сечения шва, то применяют стыковое соединение с Х-образной разделкой кромок (рисунок 3, в). При этом необходимо иметь в виду, что сварка такого соединения требует доступа к нему с двух сторон.
Из угловых соединений (рисунок 3, г, д, е) соединение типа г рекомен-дуется для толщин не более 8 мм, соединение типа д – для толщин не более 26 мм. Для больших толщин рекомендуется соединение типа е.
Тавровое соединение указанного вида (рисунок 5, ж) рекомендуется для толщины не более 5-6 мм. В случае больших толщин на вертикальной стенке снимаются двусторонние фаски (рисунок 3, з).
Соединение нахлесточное (рисунок 3, и) применяется при S = 2-6 мм. Зазор а допускается от 0 до 4 мм. В отличие от стыкового соединения нахлесточное облегчает сборку сварных узлов, однако, из-за несоосности соединяемых деталей при работе в таких соединениях возникает изгибающий момент, снижающий прочность соединения, особенно из высокопрочных материалов. Нахлесточное соединение нерационально как с точки зрения уменьшения расхода металла, так и снижения массы конструкции. При применении нахлесточного соединения, так же как таврового и углового, имеющих повышенную жесткость, больше вероятность образования трещин при сварке.
3. ТЕХНИКА РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ
Ручную дуговую сварку выполняют сварочными электродами, которые, подают в дугу и перемещают вдоль заготовки. Для удержания электрода и подвода к нему тока сварщик использует электродержатель. Сварщик защищает лицо от светового и ультрафиолетового излучений дуги предохранительным щитком или маской с темным стеклом, а тело и руки – брезентовой спецодеждой и рукавицами. Рабочее место сварщика – специальная сварочная кабина (рисунок 4).
Рисунок 4 - Рабочее место для ручной дуговой сварки: 1 – стол;
2 – электродержатель; 3 – сварочный трансформатор
Процесс сварки начинается с возбуждения дуги. При ручной электродуговой сварке зажигание дуги чаще всего производится методом короткого замыкания, который выполняется двумя способами.
Первый способ заключается в легком касании торцом электрода свариваемого места и быстром отводе его вверх на 3-4 мм. Второй способ заключается в «чирканьи» электродом по месту зажигания дуги и также соответственном отводе его от металла. Прикосновение электрода к изделию должно быть кратковременным, иначе электрод приваривается к свариваемому металлу. Если электрод приварился, то его следует оторвать резким поворачиванием вправо и влево.
После зажигания дуги и ее устойчивого горения электроду сообщают три основных движения:
1) подачу электрода по направлению его оси с учетом скорости плавления электрода;
2) перемещение вдоль шва в соответствии с режимом сварки и формированием нужного шва (валика);
3) поперечные движения – для равномерного распределения наплавляемого металла и обеспечения необходимой ширины сварного шва (для широких швов).
Ширина колебаний относительно оси шва не должна превышать двух-трех диаметров электрода, а сами колебания выполняются по спирали или зигзагу.
Электрод при сварке следует держать наклонно под углом 15-20°С к вертикальной линии в сторону перемещения электрода.
В процессе сварки необходимо держать длину дуги, равную (где d – диаметр электрода, мм). Дуга такой длины горит устойчиво и спокойно. Она обеспечивает получение высококачественного шва. При меньшей длине дуги наблюдается «примерзание» электрода, дуга прерывается, нарушается процесс сварки. Длинная дуга горит неустойчиво, расплавленный металл электрода разбрызгивается, окисляется и азотируется. Шов получается бесформенным, а металл шва содержит большое количество окислов, глубина проплавления основного металла недостаточная.
Вид тока и полярность выбирают в зависимости от применяемого материала и технологических требований к сварному изделию. При сварке деталей, требующих большого подвода теплоты для прогрева кромок, применяют прямую полярность («+» источника питания присоединяют к детали, а «-» источника – к электроду). При сварке тонкостенных изделий и сталей, не допускающих перегрева (нержавеющих, жаропрочных, высокоуглеродистых) применяют сварку постоянным током обратной полярности («+» - на электрод, «-» - на деталь). Если к сварному изделию не относятся указанные особенности, то сварку проводят переменным током.
4. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ
ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ
4.1. Вся сварочная аппаратура, источники сварочного тока, свариваемые конструкции, осцилляторы, столы сварщиков должны быть надежно заземлены.
4.2. Для защиты работающих в сварочном производстве от влияния вредных газов необходимо устраивать системы вентиляции, обеспечивающие чистоту воздуха и нормальные метеорологические условия.
4.3. Перед началом работы, а также периодически необходимо тщательно проверять исправность изоляции сварочных проводов и надежность всех контактных соединений.
4.4. Для сварки необходимо использовать индивидуальные кабины (для выполнения сварочных работ в стационарных условиях) и переносные щиты и ширмы (при сварке крупных изделий и на непостоянных местах работы).
4.5. Сварку проводить только с применением индивидуальных средств защиты (щитки и шлемы со вставными стеклами, брезентовый или специальный костюм, резиновые боты, рукавицы). Спецодежда сварщика должна быть сухой и исправной, а обувь не должна иметь металлических гвоздей.
5. НЕОБХОДИМЫЕ ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ
5.1. Сварочные посты.
5.2. Электроды (не менее 15 шт.).
5.3. Металл для наплавки.
5.4. Зубило, молоток.
5.5. Защитные очки.
6. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
6.1. В отчете привести краткие сведения из теории. Особое внимание обратить на классификацию электродуговой сварки, обозначение электродов и виды сварных соединений.
6.2. Ознакомиться с техникой электродуговой сварки и правилами безопасности при выполнении сварочных работ при дуговой сварке.
6.3. Для заданного электрода определить величину сварочного тока и установить ее на сварочном трансформаторе.
6.4. С соблюдением правил техники безопасности под наблюдением учебного мастера или преподавателя включить сварочный трансформатор и произвести наплавку валика. В процессе наплавки постоянно следить за длиной дуги и поддерживать ее постоянной. После окончания сварки выключить рубильник.
7. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
7.1. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных ВУЗов / А.М. Дальский, Т.М. Барсукова, Л.Н. Бухаркин и др.; Под общ. ред. А.М. Дальского. – 5-е изд., испр. – М. Машиностроение, 2009. – 511 с.
7.2. Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов: Учеб. для ВУЗов по машиностроительным специальностям / Г.П. Фетисов, М.Г. Кафпман, В.М. Матюнин и др. – М.: Высш. шк., 2009. – 637 с.
Лабораторная работа № 7
ГАЗОВАЯ СВАРКА И РЕЗКА МЕТАЛЛОВ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить сущность газовой сварки и резки металлов, применяемое оборудование и материалы. Освоить технику газовой сварки и резки металлов.
2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Газовая сварка является одной из разновидностей термической сварки, сущность которой заключается в расплавлении кромок свариваемых изделий и добавочно вводимого присадочного материала теплом горящей газовой смеси.
При газовой сварке заготовки 1 и присадочный материал 2 в виде прутка или проволоки расплавляют высокотемпературным пламенем 4 газовой горелки 3 (рисунок 1). Газовое пламя получают при сгорании горючих газов (чаще ацетилена) в атмосфере кислорода.
Рисунок 1 – Схема газовой сварки Рисунок 2 – Схема ацетиленового генератора комбинированного типа: 1 – отбор газа; 2 – бак с водой; 3 – газосборник; 4 – зарядник
Кислород, используемый для сварочных работ, поставляют к месту потребления в стальных баллонах под давлением 15 МПа.
Кислородные баллоны окрашивают в голубой цвет с черной надписью «Кислород».
Для снижения давления газа на выходе из баллона и поддержания постоянного рабочего давления применяют газовые редукторы. Кислородные редукторы понижают давление от 15 до 0,1 МПа, ацетиленовые – от 1,6 до 0,02 МПа. Редукторы, применяемые в сварочной технике, обычно имеют два манометра, один из которых измеряет давление газа до входа в редуктор, другой – на выходе из него.
В качестве горючих газов чаще всего используют ацетилен, т.к. он имеет бóльшую теплоту сгорания по сравнению с другими горючими газами и высокую температуру пламени (3200°С). Кроме ацетилена можно также применять природные газы, водород, пары бензина и керосина, нефтяные газы и др. Перечисленные горючие газы могут быть использованы главным образом для кислородной резки, не требующей высокой температуры пламени.
Ацетилен получают в специальных аппаратах – газогенераторах при взаимодействии воды с карбидом кальция:
СаС2 + 2Н2О ↔ Са(ОН)2 +С2Н2 + Q.
Существуют следующие типы и системы генераторов. По давлению вырабатываемого ацетилена - два типа генераторов: низкого давления (до 0,02 МПа) и среднего давления (0,02 ... 0,15 МПа). По способу применения - передвижные и стационарные. По способу взаимодействия карбида кальция с водой - три типа генераторов: система генераторов KB - карбид в воду; ВК - вода на карбид, с вариантами процессов: М - "мокрого" и С - "сухого"; К - контактный с вариантами процессов: ВВ - вытеснения воды и ПК - погружения карбида.
Количественное регулирование ацетилена осуществляют периодической дозировкой либо карбида кальция при постоянном объеме воды в зоне реакции (система «карбид на воду»), либо воды при загрузке всего карбида кальция (система «вода на карбид»). Широко применяют и комбинированную систему генераторов с дозировкой обоих реагирующих веществ.
Ацетиленовые генераторы (рисунок 2) независимо от системы имеют следующие основные элементы: зарядник, газосборник, предохранительные устройства против повышения давления в газосборнике и защиты генератора от обратных ударов пламени.
Наиболее распространенным ацетиленовым генератором является передвижной ацетиленовый генератор АСП-1,25-6 (выпускаемый в настоящее время) производительностью 1,25 м3/ч, рабочим давлением 0,01—0,07 МПа - контактного типа среднего давления прерывного действия - работает по системе ПК в сочетании с системой ВВ (рисунок 3).
Корпус 2 генератора состоит из газообразователя и промывателя, соединенных между собой переливной трубкой. В газообразователе происходит разложение карбида кальция с выделением ацетилена, в промывателе - охлаждение и отделение ацетилена от частиц извести. Вода в газообразователь заливается через горловину. При достижении переливной трубки 15 вода переливается по ней в промыватель, который заполняется до уровня контрольной пробки 13. Карбид кальция загружают в корзину 4, закрепляют поддон 10, устанавливают крышку с мембраной на горловину. Уплотнение крышки 8 с горловиной обеспечивается винтом 6 с помощью мембраны 5. Образующийся в газообразователе ацетилен по переливной трубке 15 поступает в промыватель, где, проходя через слой воды, охлаждается и промывается.
Рисунок 3 – Генератор ацетилена: а - общий вид; I - горловина;
II- газообразователь; III- вытеснитель; IV— промыватель;
б - генератор в разрезе
Из промывателя через вентиль 12 по шлангу ацетилен поступает в предохранительный затвор 1 и далее на потребление.
По мере повышения давления в газообразователе давление ацетилена на мембрану преодолевает сопротивление пружины 7, перемещая ее вверх, при этом корзина с карбидом кальция, связанная с мембраной, также перемещается вверх, уровень смоченного карбида уменьшается, выработка ацетилена ограничивается и возрастание давления прекращается. При снижении давления в газообразователе усилием пружины 7, корзина с карбидом кальция возвращается вниз и происходит замочка карбида кальция. Таким образом, процесс выработки ацетилена регулируется с помощью мембраны.
Одновременно по мере увеличения давления в газообразователе избыточное давление ацетилена перемещает воду в вытеснитель и корзина с карбидом кальция оказывается выше уровня воды, в результате чего реакция прекращается. По мере уменьшения давления вода вновь занимает прежний объем и вновь происходит замочка карбида кальция.
Давление ацетилена контролируется манометром 9. Слив ила из газообразователя и иловой воды из промывателя осуществляется соответственно через штуцеры 13 и 14. Предохранительный клапан 3 служит для сброса ацетилена при увеличении давления в генераторе выше допустимого. В месте присоединения клапана к корпусу установлена сетка для задержания частиц карбидного ила, окалины и др.
На пути следования газа от генератора к сварочной горелке устанавливают предохранительные водяные затворы, предотвращающие проникновение кислородно-ацетиленового пламени в ацетиленовый генератор при его обратном ударе. Обратный удар происходит при перегреве горелки и засорении сопла или центрального отверстия инжектора.
Ацетиленовые генераторы взрывоопасны и нуждаются в специальном обслуживании. При работе одного-двух сварочных постов и в полевых условиях целесообразно использовать баллонный ацетилен.
Ацетиленовые баллоны окрашивают в белый цвет и делают на них красной краской надпись «Ацетилен». Давление ацетилена в баллоне 1,5 МПа. В баллоне находятся пористая масса (активированный уголь) и ацетон. Растворение ацетилена в ацетоне позволяет поместить в малом объеме большое количество ацетилена. Растворенный в ацетоне ацетилен пропитывает пористую массу и становится безопасным.
Сварочные горелки используют для образования сварочного пламени. В промышленности наиболее распространена инжекторная горелка, так как она наиболее безопасна и работает на низком и среднем давлениях (рисунок 4). В инжекторной горелке кислород под давлением 0,1…0,4 МПа через регулировочный вентиль 6 подается к инжектору 5. Выходя с большой скоростью из узкого канала инжекторного конуса, кислород создает значительное разряжение в камере 4 и засасывает горючий газ, поступающий через вентиль 7 в ацетиленовые каналы 8 горелки и камеру смешения 3, где образуется горючая смесь. Затем горючая смесь поступает по наконечнику 2 к мундштуку 1, на выходе из которого при сгорании образуется газосварочное пламя.
Рисунок 4 – Схема газовой горелки Рисунок 5 – Газосварочное пламя
Сварочное пламя образуется в результате сгорания ацетилена, смешивающегося в определенных пропорциях с кислородом в сварочных горелках. Ацетилено-кислородное пламя состоит из трех зон (рисунок 5): ядра пламени 1, средней зоны 2 (сварочной), факела пламени 3 (l – длина). В зоне 1 происходит постепенный нагрев до температуры воспламенения газовой смеси, поступающей из мундштука; в зоне 2 – первая стадия горения ацетилена за счет кислорода, поступающего из баллона. Эта зона имеет самую высокую температуру и обладающая восстановительными свойствами, называется сварочной, или рабочей, зоной. В зоне 3 (факеле) протекает вторая стадия горения ацетилена за счет атмосферного кислорода. Зона 3 обладает окислительными свойствами.
В зависимости от соотношения ацетилена и кислорода различают следующие виды пламени: нормальное, окислительное и науглероживающее.
Сварочное пламя называется нормальным, когда соотношение O2/C2H2 ≈ 1,1. Ядро нормального пламени имеет четкое очертание и яркое свечение. Такое пламя способствует получению качественного сварного шва. Нормальным пламенем сваривают большинство сталей.
При увеличении содержания кислорода (O2/C2H2 > 1,1) пламя приобретает голубоватый оттенок и имеет заостренную форму ядра. Такое пламя называется окислительным и может быть использовано только при сварке латуни.
При увеличении содержания ацетилена (O2/C2H2 < 1,1) пламя становится коптящим, удлиняется и имеет красноватый оттенок. Такое пламя называют науглероживающим и применяется для сварки чугуна и цветных металлов.
Применение. Газовой сваркой можно сваривать почти все металлы, используемые в технике, причем такие металлы и сплавы, как чугун, медь, свинец, латунь, легче поддаются газовой сварке, чем дуговой.
К преимуществам газовой сварки относится и то, что она не требует сложного оборудования и источника электрической энергии. В настоящее время газовая сварка широко применяется при монтаже металлоконструкций и трубопроводов из тонкостенных труб, сантехнических работах, сварке сплавов на основе меди, ремонтной сварке изделий из чугуна.
Резка металлов заключается в разделении металлических заготовок и конструкций.
Наиболее распространена кислородная резка металлов, сущность которой заключается в сжигании металла в струе кислорода и удалении этой струей образующихся оксидов. При горении железа в кислороде образуется оксид железа и значительное количество теплоты:
3Fe + 2O2 = Fe3O4 + Q.
Для начала горения металл подогревают до температуры его воспламенения в кислороде (например, сталь до 1000…1200°С). На рисунке 6 показан процесс кислородной резки. Металл 3 (заготовка) нагревается в начальной точке реза подогревающим пламенем 2, затем направляется струя режущего кислорода 1, и нагретый металл начинает гореть. Горение металла сопровождается выделением теплоты, которая вместе с подогревающим пламенем разогревает лежащие ниже слои на всю толщину металла. Образующиеся оксиды 5 расплавляются и выдуваются струей режущего кислорода из зоны реза 4. Конфигурация перемещения струи соответствует заданной форме вырезаемого изделия.
Рисунок 6 – Схема кислородной резки Рисунок 7 – Схема газокислородного
резака
По характеру и направленности кислородной струи различают не сколько способов резки.
При разделительной резке режущая струя направлена нормально к поверхности металла и прорезает его на всю толщину. Разделитель ной резкой раскраивают листовую сталь, разрезают профильный ма териал, вырезают косынки, круги, фланцы и т. п.
При поверхностной резке режущая струя направлена под очень ма лым углом к поверхности металла (почти параллельно ей) и обеспе чивает грубую его строжку или обдирку. Ею удаляют поверхностные дефекты отливок.
При резке кислородным копьем копье образуется тонкостенной стальной трубкой, присоединенной к рукоятке и свободным кон цом прижатой к прожигаемому металлу. Резка начинается с подог рева конца трубки сварочной дугой или горелкой. При пропускании кислорода через трубку (копье) ее конец быстро загорается и даль нейший подогрев не нужен. Копье прижимают к металлу и углубля ют в него. Таким образом, выжигают отверстия круглого сечения. Кислородным копьем отрезают прибыли крупных отливок, прожи гают летки в металлургических печах, отверстия в бетоне и т. п.
Газокислородная резка может быть ручной и машинной. Для руч ной резки применяют универсальный резак типа УР со сменными мундшту ками (рисунок 7). В резаке конструктивно объединены подогревающая и режущая части. Подогревающая часть аналогична таковой у свароч ных горелок. Режущая часть состоит из дополнительной трубки 4 для подачи режущего кислорода. В мундштуке находятся два концентри чески расположенных отверстия для выхода подогревающего пламе ни 1 и режущей струи 2. Мундштук резака 3 образует прямой угол со стволом. При замене ацетилена другими горючими газами в резаке увеличивают сечения каналов инжектора и смесительной камеры.
Обычной кислородной резкой разрезают металлы, толщина кото рых 5...300 мм. При резке металла толщиной более 300 мм применяют специальные резаки.
Кроме рассмотренной выше кислородной резки существуют и другие способы резки металлов: кислородно-флюсовая, воздушно-дуговая, плазменно-дуговая и др.
3. ТЕХНИКА ГАЗОВОЙ СВАРКИ И РЕЗКИ МЕТАЛЛОВ
Техника газовой сварки.
Пост для газовой сварки (рисунок 8) состоит из переносного ацетиленового генератора с предохранительным затвором или баллона с горючим газом, баллона с кислородом, газовых редукторов, руковов и сварочной горелки со сменными наконечниками. Также применяются стационарные ацетиленовые генераторы, от которых ацетилен подается по ацетиленопроводу к сварочному посту.
Рисунок 8 – Оборудование поста для Рисунок 9 – Способы газовой сварки: 1 – сварочная горелка; сварки: а – правый; б - левый
2 – кислородный редуктор; 3 – баллон
с кислородом; 4 – предохранительный
затвор; 5 - рукова
В практике применяют два способа сварки - правый и левый (рисунок 9) При правом способе (рисунок 9, а) сварку ведут слева на право, сварочное пламя направляют на сваренный участок шва, а присадочную проволоку перемещают вслед за горелкой. Т.к. при правом способе пламя направлено на сваренный шов, то обеспечивается лучшая защита сварочной ванны от кислорода и азота воздуха, большая глубина плавления, замедленное охлаждение металла шва в процессе кристаллизации. Теплота пламени рассеивается меньше, чем при левом способе, поэтому угол разделки кромок делается не 90 °, а 60-70°, что уменьшает количество наплавленного металла и коробление. Правый способ целесообразно применять при сварке металла толщиной более 5 мм и металлов с большой теплопроводностью.
При левом способе (рисунок 9, б) сварку ведут справа налево, сварочное пламя направляют на ещё не сваренные кромки металла, а присадочную проволоку перемещают впереди пламени. При левом способе сварщик хорошо видит свариваемый металл, поэтому внешний вид шва лучше, чем при правом способе; предварительный подогрев кромок свариваемого металла обеспечивает хорошее перемешивание сварочной ванны. Благодаря этим свойствам левый способ наиболее распространён и применяется для сварки тонколистовых материалов и легкоплавких металлов.
Мощность сварочной горелки при правом способе выбирают из расчёта 120-150 дм3/ч ацетилена, а при левом - 100-130 дм3/ч на 1 мм толщины свариваемого металла.
Диаметр присадочной проволоки выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла и способа сварки. При правом способе сварки диаметр присадочной проволоки d = S/2 мм., но не более 6 мм, при левом d = S/2+1 мм, где S- толщина свариваемого металла, мм.
Скорость нагрева регулируют изменением угла наклона мундштука к поверхности свариваемого металла. Чем толще металл и больше его теплопроводность, тем больше угол наклона мундштука к поверхности свариваемого металла.
В процессе сварки газосварщик концом мундштука горелки совершает одновременно два движения: поперечное (перпендикулярно оси шва) и продольное (вдоль оси шва). Основным является продольное движение. Поперечное движение служит для равномерного прогрева кромок основного металла и получения шва необходимой ширины.
Газовой сваркой можно выполнять нижние, горизонтальные (на вертикальной плоскости), вертикальные и потолочные швы. Горизонтальные и потолочные швы обычно выполняют правым способом сварки, вертикальные снизу вверх – левым способом.
Техника кислородной резки.
В начале резки поверхность разрезаемого листа следует очистить от окалины, краски, масла, ржавчины и грязи. Особое внимание уделяется очистке поверхности листа от окалины, поскольку она препятствует контакту металла с пламенем и струей режущего кислорода. Для этого требуется незначительный прогрев поверхности стали подогревающим пламенем резака, в результате которого окалина отскакивает от поверхности. Прогрев следует выполнять узкой полосой по линии предполагаемого реза, перемещая пламя со скоростью, приблизительно соответствующей скорости резки.
Перед кислородной резкой металл нагревается с поверхности в начальной точке реза до температуры его воспламенения в кислороде. После пуска струи режущего кислорода и начала процесса окисления металла по толщине листа резак перемещают по линии реза.
Как правило, прямолинейная кислородная резка стальных листов толщиной до 50 мм выполняется вначале с установкой режущего сопла мундштука в вертикальное положение, а затем с наклоном в сторону, противоположную направлению резки (обычно на 20–30º). Наклон режущего сопла мундштука в сторону ускоряет процесс окисления металла и увеличивает скорость кислородной резки, а, следовательно, и ее производительность. При большей толщине стального листа резак в начале резки наклоняют на 5º в сторону, обратную движению резки.
4. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ГАЗОВОЙ СВАРКИ И РЕЗКИ МЕТАЛЛОВ
4.1. К выполнению газосварочных работ допускаются только рабочие, сдавшие техминимум по правилам техники безопасности.
4.2. При выполнении работ газосварщик должен пользоваться спецодеждой: хлопчатобумажным костюмом с огнестойкой пропиткой, рукавицами брезентовыми, кожаными ботинками, а также защитными очками закрытого типа.
4.3. В помещении, где производится газопламенная обработка металла, должна быть обеспечена вентиляция для удаления вредных газов.
4.4. Запрещается производить газосварочные работы в непосредственной близости от огнеопасных и легковоспламеняющихся материалов (бензина, керосина, пакли, стружки и пр.).
4.5. Перемещать баллоны с кислородом в пределах рабочего места (на небольшие расстояния) можно кантовкой в слегка наклонном положении.
4.6. Категорически запрещается работа с кислородным баллоном, давление кислорода в котором ниже предела рабочего давления, установленного редуктором данного баллона.
4.7. Ацетиленовые баллоны, после сброса остаточного давления, могут являться источником выделения ацетилена в окружающую среду при повышении наружной температуры в случае, если их вентиль оставить открытым. Поэтому хранить и транспортировать порожние ацетиленовые баллоны следует только с плотно закрытыми вентилями.
4.8. При сварке и резке можно применять только редукторы с исправными манометрами. Кислород в редуктор следует впускать постепенно, медленно открывая вентиль баллона и полностью ослабляя регулирующий винт редуктора. При впуске газа нельзя становиться перед редуктором. Необходимо следить за герметичностью редуктора и его соединений с вентилем баллонов и шлангами.
4.9. Пламя горелки (резака) должно быть направлено в сторону, противоположную источнику газопитания. Если это требование выполнить нельзя, то источник газопитания следует оградить металлическим щитом.
4.10. Во время работы газопроводящие рукава должны быть сбоку от рабочего. Запрещается держать рукава подмышкой, на плечах или зажимать их ногами. Не разрешается перемещение рабочего с зажженной горелкой или резаком за пределами рабочего места. При обнаружении утечки горючих газов и кислорода работы с открытым огнем должны быть приостановлены, утечка устранена, а помещение проветрено.
5. НЕОБХОДИМЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ, ИНСТРУМЕНТ
5.1. Сварочные посты.
5.2. Ацетиленовые генераторы (или ацетиленовые баллоны), кислородные баллоны, газовые редукторы, газовые горелки и резак.
5.3. Присадочный материал и пластины для наплавки (4-5 шт.).
5.4. Металлические щетки.
5.5. Защитные очки, спецодежда.
6. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ
Все практические работы по газовой сварке и резке выполняются студентами совместно с учебным мастером.
Газосварочные работы выполняются в отдельно оборудованных местах (сварочных постах), которые включают в себя ацетиленовые генераторы (или ацетиленовые баллоны), кислородные баллоны, рабочие столы для сварки и резки, вентиляционные устройства.
Перед работой необходимо внимательно ознакомиться с правилами по технике безопасности по газовой сварке и резке.
Для проведения работы студенты должны разбиться на бригады по 3-4 человека. Работа проводится в спецодежде и светозащитных очках.
Для проведения газовой сварки необходимо:
1. В зависимости от толщины металла выбрать по таблицам 1-3 приложения А: номер наконечника сварочной горелки (таблица А1), способ перемещения горелки, угол наклона горелки (таблица А2), диаметр присадочной проволоки (таблица А3).
2. Очистить свариваемую поверхность стальной щеткой.
3. Присоединить сварочную горелку к соответствующим шлангам (ацетилена и кислорода).
4. Установить давление кислорода в редукторе 100-400 кПа (1-4 атм.), а давление ацетилена – 0,1-2 кПа (0,01-0,2 атм.).
5. Установить в требуемом положении (по указанию учебного мастера) свариваемые пластины на рабочем столе.
6. Для зажигания горелки немного открыть кислородный вентиль и после краткой продувки открыть ацетиленовый вентиль. Поджечь выходящую из мундштука смесь и отрегулировать пламя.
Регулирование пламени производится по его форме и окраске. Давление кислорода должно соответствовать паспорту горелки и номеру наконечника. При большом давлении кислорода смесь вытекает с большой скоростью, пламя отрывается от мундштука, происходит выдувание расплавленного металла из сварочной ванны. При недостаточном давлении кислорода скорость истечения горячей смеси падает, пламя укорачивается и возникает опасность обратных ударов. Нормальное пламя можно получить из окислительного, постепенно увеличивая поступление ацетилена до образования яркого и четкого ядра пламени. Можно отрегулировать нормальное пламя и из науглероживающего, убавляя подачу ацетилена до исчезновения зеленоватого ореола у вершины пламени.
7. Используя присадочный материал произвести сварку.
8. По окончании сварки сначала закрывают ацетиленовый вентиль, а затем кислородный.
В случае замены ацетилена на пропан-бутановую смесь ознакомится с приложением Б.
Для проведения газовой резки необходимо:
1. В зависимости от толщины металла выбрать номера наружного и внутреннего резаков, определить требуемое давление кислорода и расстояние головки резака от поверхности металла.
2. Очистить материал для резки стальной щеткой, произвести разметку места реза и установить пластины на рабочем столе.
3. Присоединить сварочный резак к соответствующим шлангам (ацетилена и кислорода).
4. Установить давление кислорода согласно таблице 4 (см. приложение) и давление ацетилена 0,2-2 кПа.
5. Открыть вентиль подачи кислорода подогревающего пламени, затем вентиль для подачи ацетилена, зажечь выходящую из резака смесь и отрегулировать пламя.
6. Направить пламя на край разрезаемого металла и нагреть до температуры воспламенения (обычно до начала плавления). Затем включить вентиль режущего кислорода.
7. Перемещать резак по намеченной линии реза нужно равномерно, прожигая металл на всю толщину.
8. После окончания резки закрыть вентиль подачи горючего, а затем вентиль кислорода подогревающего пламени.
7. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
7.1. В отчете привести краткие сведения из теории. Особое внимание обратить на сущность газовой сварки и резки металлов, применяемое оборудование и материалы. Отчет должен содержать схемы процессов газовой сварки и резки металлов, газосварочной горелки, сварочного пламени, газокислородного резака.
7.2. Ознакомиться с техникой газовой сварки и резки металлов.
7.3. Ознакомиться с правилами безопасности при выполнении сварочных работ при газовой сварке и резке металлов.
7. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
7.1. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных ВУЗов / А.М. Дальский, Т.М. Барсукова, Л.Н. Бухаркин и др.; Под общ. ред. А.М. Дальского. – 5-е изд., испр. – М. Машиностроение, 2009. – 511 с.
7.2. Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов: Учеб. для ВУЗов по машиностроительным специальностям / Г.П. Фетисов, М.Г. Кафпман, В.М. Матюнин и др. – М.: Высш. шк., 2009. – 637 с.
7.3. Технология конструкционных материалов: учебник / О.С. Комаров, В.Н.Ковалевский, Л.Ф. Керженцева и др.; под общ. Ред О.С. Комарова. – 2-е изд., испр. – Минск: Новое издание, 2007. – С. 407-414, С. 442-445.
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Таблица А1
Выбор номера наконечника сварочной горелки
в зависимости от толщины свариваемого металла
|
Номер наконечника |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
Примерная толщина свариваемого металла (стали), мм |
до 1,5 |
1-3 |
2,5-4 |
4-7 |
7-11 |
10-18 |
17-30 |
Таблица А2
Выбор угла наклона сварочной горелки к оси сварного шва
в зависимости от толщины свариваемого металла
|
Угол наклона горелки к шву |
20° |
30° |
40° |
50° |
60° |
70° |
|
Примерная толщина свариваемого металла (стали), мм |
1-3 |
3-5 |
5-7 |
7-10 |
10-12 |
12-16 |
Таблица А3
Выбор диаметра присадочной проволоки в зависимости
от толщины свариваемого металла
|
Толщина металла (стали), мм |
1-2 |
2-3 |
3-5 |
5-10 |
10-15 |
15 и более |
|
Диаметр проволоки (стальной), мм |
без проволоки |
2 |
2-4 |
3-4 |
4-6 |
6-8 |
|
Диаметр проволоки (медной), мм |
1,5 |
2-3 |
3-4 |
5 |
6 |
8 |
Таблица А4
Выбор номера наружного и внутреннего мундштуков
универсального резака и давления кислорода в зависимости
от толщины разрезаемого металла
|
Толщина разрезае-мого металла, мм |
5 |
25 |
50 |
100 |
200 |
300 |
|
№ наружного мундштука |
1 |
1 |
1 |
2 |
2 |
2 |
|
№ внутреннего мундштука |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
Давление кислорода, МПа |
0,2 |
0,4 |
0,6 |
0,8 |
1,2 |
1,4 |
|
Расстояние головки резака от поверхности металла, мм |
2 |
2,5 |
3 |
4 |
5 |
6,5 |
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Пропан-бутано-кислородная сварка
Этот вид сварки применяют для неответственных деталей. Давление рабочих газов при входе в горелку поддерживается в пределах: пропан-бутановой смеси 0,02 - 0,05 МПа, кислорода - 0,02 - 0,04 МПа, при этом поддерживается соотношение рабочих газов -3,5 : 4. При этом виде сварки недопустимо применение в качестве присадочной проволоки Св-08 и Св-08А, рекомендуемых для ацетилено-кислородной резки. Чаще всего используются проволоки марок Св-12ГС, Св-08Г2С, Св-08ГС, хорошо раскисляющие сварочную ванну.
Присадочную проволоку держат под углом 35 - 40° к оси шва, а пламя - под углом 45 -60°. Расстояние от ядра пламени до поверхности сварочной ванны должно поддерживаться в пределах 3-6 мм, а до плавящегося конца присадочной проволоки -2-4 мм. Основные режимы пропан-бутано-кислородной сварки приведены в таблице Б1.
Таблица Б1
Режимы пропан-бутано-кислородной сварки
|
Толщина сваривае-мого метала, мм |
Вели-чина зазора, мм |
Угол скоса кро-мок |
Рассто-яние между прих-ватками, мм |
Диаметр приса-дочной прово-локи, мм |
№ нако-нечни-ка горел-ки |
Расход, л/ч |
|
|
пропан-бутана |
кисло-рода |
||||||
|
0,5-1 |
1-1,5 |
Без скоса |
10-40 |
1-1,5 |
1-2 |
30-90 |
105-315 |
|
1-2 |
1,5-2 |
Тоже |
20-80 |
1,5-2 |
2-3 |
60-180 |
210-680 |
|
2-3 |
2-3 |
Тоже |
40-120 |
2-2,5 |
3-4 |
120-270 |
420-945 |
|
3-6 |
3-6 |
60-90 |
60-240 |
2,5-4 |
4-5 |
180-540 |
630-1890 |
|
Примечание: для сварки сталей толщиной свыше 6 мм пропан-бутано-кислородные смеси не применяют. |
Последовательность процесса сварки:
1. Подготовить сварочный пост, обеспечив безопасную работу.
2. Закрыть оба вентиля на горелке.
3. Открыть вентили на баллонах с кислородом и горючим газом. Отрегулировать давление на выходе из редуктора в соответствии с рекомендациями.
4. Открыть на 2…3 секунды кислородный (голубой) вентиль на горелке для продувки шланга и снова его закрыть.
5. Открыть на 2…3 секунды вентиль горючего газа (красный) на горелке, после чего поджечь его внешним огнем. Произвести корректировку давления на выходе из редуктора горючего газа, добиваясь яркого «пушистого» пламени. При появлении зазора между факелом и соплом необходимо прикрыть вентиль горючего газа на горелке, а затем опять восстановить пламя.
6. Открыть на горелке кислородный вентиль.
7. Отрегулировать «нормальное» пламя.
8. Расположить сопло и стержень под углами, указанными на рисунке Б1.
Рисунок Б1 – Положение инструмента при сварке
Направить пламя в точку, с которой начнется сварка, пока металл в этой точке не начнет плавится – это будет хорошо видно сквозь очки. Затем необходимо продвигать горелку зигзагом с небольшой амплитудой вдоль шва, одновременно работая концом стержня вверх-вниз в плавящемся кратере с частотой примерно 2 раза в секунду. Если плавление происходит слишком быстро – убавить подачу газа, если, наоборот, металл плавится медленно – увеличить подачу газа.
9. Для завершения процесса сварки необходимо строго соблюдать следующую последовательность действий:
- закрыть на горелке подачу горючего газа;
- закрыть на горелке подачу кислорода;
- завернуть вентили на кислородном баллоне и баллоне с горючим газом;
- последовательно открыть подачу кислорода и горючего газа на горелке для сброса остаточного давления в шлангах, убедится, что оба манометра на каждом из баллонов показывают нулевое давление, после чего завернуть оба вентиля на горелке.
ВНИМАНИЕ!
Если в процессе сварки произошёл хлопок и пламя втянулось внутрь горелки («обратный» удар) немедленно:
1. Закрыть вентиль кислорода на горелке.
2. Закрыть вентиль горючего газа на баллоне.
Все остальные операции можно производить только после остывания горелки.
Лабораторная работа № 8
ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА И РАБОТЫ ТОКАРНО-ВИНТОРЕЗНОГО СТАНКА. РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить устройство и работу токарно-винторезного станка, ознакомиться с основными видами токарных резцов и их применением.
2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Точение – технологический метод формообразования поверхностей заготовок, осуществляемый на станках токарной группы.
При точении (обтачивании) совершается два движения резания: вращательное движение заготовки (главное движение) и поступательное движение режущего инструмента (движение подачи).
Разновидности точения:
Кроме того, на станках токарной группы можно нарезать резьбу, сверлить, зенкеровать, развертывать отверстия (рисунок 1, е), а при установке специальных механизмов проводить и другие обработки.
На токарных станках проводится обдирочная, черновая, получистовая и чистовая обработки, а также тонкая обработка различными резцами.
Рисунок 1 - Схемы обработки заготовок на токарно-
винторезном станке:
а - обтачивание наружных цилиндрических поверхностей;
б и в – растачивание внутренних цилиндрических сквозных
и глухих отверстий; г – подрезание торцов; д – отрезка
обработанных деталей; е – сверление, зенкерование и
развертывание
На рисунке 2 показан общий вид токарно-винторезного станка 16К20. Левая 1 и правая 14 тумбы поддерживают станину 2 с призматическими направляющими. На станине монтируются узлы станка, в левой тумбе устанавливается электродвигатель главного движения, в правой насосная станция и бак для подачи и хранения смазочно-охлаждающий жидкости. Слева установлена передняя бабка 6 с панелью управления 5. Передачи и механизмы передней бабки позволяют изменять в широком диапазоне частоту вращения шпинделя, в данном случае с закрепленным на нем патроном. Ниже передней бабки на лицевой стороне станины крепится коробка подач 3. Передачи и механизмы коробки подач служат для изменения скоростей перемещения суппорта (подач). Она дает возможность также переналаживать станок для нарезания резьбы с помощью коробки сменных зубчатых колес 4. Справа на станине располагается задняя бабка 11, назначение которой, помимо поддержки заготовки во время обработки задним центром, закрепление осевого инструмента (сверл и других).
По направляющим станины между передней и задней бабками перемещается с продольной подачей Sпр суппорт 7. На суппорте имеется средняя поперечная каретка, с помощью которой перпендикулярно оси вращения заготовки производится поперечная подача Sп. Верхний поворотный суппорт 9 устанавливается под любым углом к оси заготовки при обработке конических поверхностей. На верхнем суппорте смонтирован четырехпозиционный поворотный резцедержатель (резцовая головка) 8. На продольном суппорте закреплен фартук 10, передачи и механизмы которого преобразуют вращательное движение ходового винта 12 или ходового валика 13 в поступательное движение суппорта. На станке устанавливается экран (на схеме не показан) для защиты работающего от стружки.
Рисунок 2 - Общий вид токарно-винторезного станка
Основным видом режущего инструмента, применяемого при токарной обработке, является резец.
Токарный прямой проходной резец (рисунок 3) состоит из двух частей: рабочей I и стержня II. Стержень имеет квадратную или прямоугольную форму поперечного сечения и служит для закрепления резца в резцедержателе станка. Рабочая часть выполняет работу резания и состоит из нескольких элементов: передняя поверхность 1 – поверхность, по которой сходит стружка процессе резания; главная задняя поверхность 2 – поверхность, обращенная к поверхности резания заготовки; вспомогательная задняя поверхность 5 – поверхность, обращенная к обработанной поверхности заготовки; главное режущие лезвие 3 – линия пересечения передней и главной задней поверхнос-тей; вспомогательное режущее лезвие 6 – линия пересечения передней и вспомогательной задней поверхностей; вершина резца 4 – точка пересечения главного и вспомогательного режущих лезвий.
Вершина рабочей части резца может быть острой или закругленной. Если вершины резца закруглена, то шероховатость обработанной поверхности уменьшается. Наличие переходного режущего лезвия также уменьшает шероховатость обработанной поверхности заготовки.
Рисунок 3 - Элементы токарного проходного резца
Многообразие работ, выполняемых на токарных станках, требует применения различных по конструкции и назначению резцов. Токарные резцы классифицируются по следующим признакам.
1. По технологическому назначению (рисунок 4, а):
- проходные 1-3 (для обтачивания наружных цилиндрических и конических поверхностей);
- подрезные 4 (для обтачивания плоских торцовых поверхностей);
- расточные 5 и 6 (для растачивания сквозных и глухих отверстий);
- отрезные 7 (для разрезания заготовок);
- резьбовые 8 (для нарезания наружных и внутренних резьб);
- фасонные круглые 9 и призматические 10 (для обтачивания фасонных поверхностей).
2. По характеру обработки:
- черновые;
- получистовые;
- чистовые.
3. По форме рабочей части (рисунок 4, а):
- прямые 1;
- отогнутые 2;
- оттянутые 7.
4. По направлению подачи (рисунок 4, б):
- правые (работают с подачей справа налево);
- левые (работают с подачей с лева направо).
5. По способу изготовления:
- целые;
- с приваренной встык рабочей частью;
- с приваренной или припаянной пластинкой инструментального материала;
- со сменными пластинками режущего материала.
Рисунок 4 - Виды токарных резцов:
а – проходной 1-3, подрезной 4, расточной 5-6, отрезной 7,
резьбовой 8, фасонный круглый 9 и призматический 10;
б – правый и левый резец; в – с дополнительной
режущей кромкой; г – с многогранными неперетачиваемыми твердосплавными пластинками
Для высокопроизводительного точения с большими подачами используют резцы с дополнительной режущей кромкой (рисунок 4, в).
В промышленности применяют резцы с многогранными неперетачиваемыми твердосплавными пластинками (рисунок 4, г). Когда одна из режущих кромок выходит из строя вследствие затупления, открепляют механический прижим пластинки и устанавливают в рабочее положение следующую кромку.
Токарные резцы в зависимости от условий обработки изготавливают из различных видов материалов:
- углеродистые инструментальные стали (У10, У10А и др.);
3. НЕОБХОДИМЫЕ ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ
3.1. Токарно-винторезный станок.
3.2. Резцы различных типов.
4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
4.1. Изучить устройство и работу токарно-винторезного станка. Привести общий вид токарно-винторезного станка.
4.2. Зарисовать токарный проходной резец и отметить его элементы.
4.3. Привести классификацию токарных резцов и зарисовать схемы обработки заготовок на токарно-винторезном станке.
4.4. Привести материалы, применяемые для изготовления токарных резцов.
5. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
5.1. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных ВУЗов / А.М. Дальский, Т.М. Барсукова, Л.Н. Бухаркин и др.; Под общ. ред. А.М. Дальского. – 5-е изд., испр. – М. Машиностроение, 2009. – 511 с.
5.2. Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов: Учеб. для ВУЗов по машиностроительным специальностям / Г.П. Фетисов, М.Г. Кафпман, В.М. Матюнин и др. – М.: Высш. шк., 2009. – 637 с.
5.3. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение: Учеб. для студентов немашиностроительных спец. ВУЗов. – М.: Высшая школа, 2007. – 446 с.
Лабораторная работа № 9
ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА И РАБОТЫ ВЕРТИКАЛЬНО- - -СВЕРЛИЛЬНОГО СТАНКА. РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕТ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучить устройство и работу вертикально-сверлиль-ного станка, ознакомится с основными видами сверлильного инструмента и их применением.
2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Сверление – распространенный метод получения отверстий в сплошном материале. Сверлением получают сквозные и несквозные (глухие) отверстия и обрабатывают предварительно полученные отверстия в целях увеличения их размеров, повышения точности и снижения шероховатости поверхности.
Сверление осуществляют при сочетании вращательного движения инструмента вокруг оси (главного движения) и поступательного движения вдоль оси (движения подачи), т.е. оба движения на сверлильном станке сообщают инструменту.
На рисунке 1 представлен общий вид вертикально-сверлильного станка. На фундаментной плите 1 смонтирована колонна 2. В верхней части колонны расположена коробка скоростей 6, через которую шпинделю с режущим инструментом сообщают главное вращательное движение. Движение подачи (поступательное вертикальное) инструмент получает через коробку подач 5, расположенную в кронштейне 4. Заготовку устанавливают на столе 3. Стол и кронштейн имеют установочные перемещения по вертикальным направляющим колонны 2. Совмещение оси вращения инструмента с заданной осью отверстия достигается перемещением заготовки.
Рисунок 1 - Общий вид вертикально-сверлильного станка
На сверлильных станках выполняют сверление, рассверливание, зенкерование, цекование, зенкование, нарезание резьбы и обработку сложных отверстий.
Для одновременной обработки нескольких отверстий применяют многошпиндельные вертикально-сверлильные станки. Шпиндели на этих станках устанавливают в сверлильной головке в зависимости от расположения отверстий в заготовке.
Обработка заготовок на сверлильных станках проводится сверлами, зенкерами, развертками, метчиками и комбинированными инструментами.
Сверла
Сверла по конструкции и назначению подразделяют на спиральные, центровочные и специальные. Наиболее распространенный для сверления и рассверливания инструмент - спиральное сверло (рисунок 2, а), состоящее из рабочей части 6, шейки 2, хвостовика 4 и лапки 3. В рабочей части 6 различают режущую 1 и направляющую 5 части с винтовыми канавками. Шейка 2 соединяет рабочую часть сверла с хвостовиком. Хвостовик 4 необходим для установки сверла в шпинделе станка. Лапка 3 служит упором при выбивании сверла из отверстия шпинделя.
Сверлами проводят сквозное сверление (рисунок 2, б) и рассверливание (рисунок 2, в).
Рисунок 2 - Спиральное сверло:
а – общий вид; б – сквозное сверление; в – рассверливание
Сверлением обрабатывают отверстия диаметром до 80 мм, причем сверлят диаметры до 30 мм, а большие рассверливают после предварительного сверления. Сверление применяется как предварительная обработка при изготовлении точных отверстий.
Имеются сверла специальных конструкций. Центровочные сверла (рисунок 3, а) предназначены для формирования углублений с торца валов, с помощью этих углублений заготовка устанавливается на центрах станка. Отверстия протяженностью более 3…5 диаметров являются глубокими, поэтому для их обработки нужны специальные сверла для глубокого сверления: шнековые (рисунок 3, б), специальные ружейные одно- и двустороннего резания (рисунок 3, в) и кольцевого сверления (рисунок 3, г).
Рисунок 3 - Специальные сверла:
а – центровочное; б – шнековое; в – ружейное;
г – кольцевого сверления
Зенкеры
Зенкерами обрабатывают отверстия в литых или штампованных заготовках, а также предварительно просверленные отверстия. В отличие от сверл зенкеры снабжены тремя или четырьмя главными режущими кромками и не имеют поперечной кромки.
По виду обрабатываемых поверхностей зенкеры бывают цилиндрические (рисунок 4, а, б), конические (рисунок 4, в) и торцевые (рисунок 4, г).
По конструкции зенкеры различают цельные, насадные и с припаянными твердосплавными пластинками. Зенкеры обеспечивают более высокую точность и производительность, чем спиральные сверла.
Рисунок 4 - Зенкеры: а, б – цилиндрические; в – конический; г - торцовый
Зенкерами на сверлильных станках проводят следующие работы:
- зенкерование – обработка предварительного полученных отверстий для придания им правильной геометрической формы, повышение точности и снижения шероховатости (рисунок 5, а);
- цекование – обработка торцовой поверхности отверстия торцовым зенкером для достижения перпендикулярности плоской торцовой поверхности к его оси (рисунок 5, б);
- зенкование – получение в имеющихся отверстиях цилиндрических или конических углублений под головки винтов, болтов, заклепок и др. деталей. На рисунке 5, в показано зенкование цилиндрического углубления цилиндри-ческим зенкером (зенковкой);
- обработка отверстий сложного профиля проводится с помощью комбинированного инструмента. На рисунке 5, г показан комбинированный зенкер для обработки двух поверхностей: цилиндрической и конической.
Рисунок 5 - Обработка заготовок зенкерами:
а – зенкерование; б – цекование; в – зенкование; г – обработка отверстий сложного профиля
Развертки
Развертки (рисунок 6, а, б) представляют собой многолезвийный инструмент для окончательной обработки отверстий, они снимают малый слой (припуск) металла, поэтому обеспечивают высокую точность. Развертки имеют 6-12 главных режущих кромок.
Как и зенкеры, развертки подразделяют по виду обрабатываемых поверхностей на цилиндрические и конические, а по конструкции - на цельные, со вставными зубьями и насадные. Развертывание (рисунок 6, в, г) проводится, как правило, после зенкерования для получения высокой точности и качества поверхности.
Рисунок 6 - Развертки: а, б – общий вид цилиндрической и конической
разверток; в, г – развертывание
Метчики
Метчики (рисунок 7, а) служат для нарезания резьбы в отверстиях (рисунок 7, в). Метчик представляет собой винт с прорезанными прямыми или винтовыми канавками, образующими режущие кромки. Метчик закрепляют в специальном патроне, чтобы нарезать правильную резьбу и избежать поломки инструмента.
В крупносерийном и массовом производствах широко применяются комбинированные метчики (рисунок 7, б).
Рисунок 7 - Метчики: а, б – общий вид обычного и комбинированного
метчика; в – нарезание резьбы
Для изготовления режущего инструмента, предназначенного для сверлильного станка, применяют различные материалы. Наиболее часто для сверл, зенкеров, разверток и метчиков используют следующие материалы:
3. НЕОБХОДИМЫЕ ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ
3.1. Вертикально-сверлильный станок.
3.2. Сверлильный инструмент (сверла, зенкеры, развертки, метчики).
4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
4.1. Изучить устройство и работу вертикально-сверлильного станка. Привести общий вид вертикально-сверлильного станка.
4.2. Зарисовать спиральное сверло и отметить его части и элементы.
4.3. Привести классификацию сверлильного инструмента и зарисовать схемы обработки заготовок на вертикально-сверлильном станке.
4.4. Указать материалы, применяемые для изготовления сверлильного инструмента.
5. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
5.1. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных ВУЗов / А.М. Дальский, Т.М. Барсукова, Л.Н. Бухаркин и др.; Под общ. ред. А.М. Дальского. – 5-е изд., испр. – М. Машиностроение, 2009. – 511 с.
5.2. Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов: Учеб. для ВУЗов по машиностроительным специальностям / Г.П. Фетисов, М.Г. Кафпман, В.М. Матюнин и др. – М.: Высш. шк., 2009. – 637 с.
Лабораторная работа № 10
ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА И РАБОТЫ ФРЕЗЕРНОГО
СТАНКА. РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучить устройство и работу фрезерных станков (вертикального и горизонтального), ознакомится с основными видами фрез и их применением.
2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Фрезерование – метод обработки заготовок, при котором непрерывное главное вращательное движение совершает режущий инструмент (фреза), а заготовка – поступательное движение подачи.
Отличительной чертой фрезерования является высокая производительность и разноплановая, с точки зрения геометрических форм поверхностей, обработка. На фрезерных станках обрабатывают горизонтальные, вертикальные и наклонные плоскости, фасонные поверхности, уступы и пазы различного профиля.
Особенность процесса фрезерования – прерывистость резания каждым зубом фрезы. Зуб фрезы находится в контакте с заготовкой и выполняет работу резания только на некоторой части оборота, а затем продолжает движение, не касаясь заготовки, до следующего врезания.
Направление вращения фрезы и направление подачи заготовки определяют методы обработки:
а) встречное фрезерование (против направления подачи) – в этом случае направления вращения фрезы и перемещения заготовки не совпадают;
б) попутное фрезерование (по направлению подачи) – когда направления вращения фрезы и перемещения заготовки совпадают.
Наиболее распространенным оборудованием фрезерования поверхностей являются горизонтально-фрезерные и вертикально-фрезерные станки.
Горизонтально-фрезерные станки
В станине 1 станка (рисунок 1, а) размещена коробка скоростей. По вертикальным направляющим перемещается консоль 7. Заготовка, устанавливаемая на столе 4 в тисках или приспособлении, получает подачу в трех направлениях: продольном (перемещение стола по направляющим салазок 6), поперечном (перемещение салазок по направляющим консоли) и вертикальном (перемещение консоли по направляющим станины). Главным движением является вращение шпинделя. Коробка подач 8 размещена в консоли. Хобот 3 служит для закрепление подвески 5, поддерживающей конец фрезерной оправки.
Горизонтально-фрезерные станки, имеющие поворотную плиту, которая позволяет поворачивать рабочий стол в горизонтальной плоскости и устанавливать его на требуемый угол, называют универсальными.
Рисунок 1 - Типы фрезерных станков:
а – горизонтально-фрезерный; б – вертикально-фрезерный
Вертикально-фрезерные станки
Основные узлы станка (рисунок 1, б): станина 1, поворотная шпиндельная головка 3 со шпинделем 4, стол 5, салазки 6, консоль 7, коробка скоростей 2 и коробка подач 8. Главным является вращательное движение шпинделя. Заготовка, установленная на столе, может получать подачу в трех направлениях: продольном, поперечном и вертикальном.
Кроме рассмотренных выше типов фрезерных станков используются также:
- карусельно-фрезерные станки (для массового производства);
- копировально-фрезерные станки (для фрезерования заготовок сложных форм).
Основным видом режущего инструмента, применяемого при фрезеровании, является фреза.
Фреза – многолезвийный инструмент, у которого по окружности или же на торце расположены режущие зубья, представляющие собой простейшие резцы.
На рисунке 2 показана цилиндрическая фреза с винтовыми зубьями. Она состоит из корпуса 1 и режущих зубьев 2. Зуб фрезы имеет следующие элементы: переднюю поверхность 3, заднюю поверхность 6, спинку зуба 7, ленточку 5 и режущую кромку 4.
У цилиндрических фрез различают:
- передний угол , измеренный в плоскости А-А, перпендикулярный к главной режущей кромке;
- главный задний угол , измеренный в плоскости, перпендикулярной к оси фрезы;
- угол наклона зубьев .
Рисунок 2 - Элементы и геометрия фрезы:
D – диаметр фрезы; L – ширина фрезы
В зависимости от назначения и вида обрабатываемых поверхностей различают следующие типы фрез:
1) для обработки плоских поверхностей – цилиндрические (рисунок 3, а) и торцовые (рисунок 3, б, з);
2) для обработки пазов, канавок и шлицев – дисковые (рисунок 3, в), концевые (рисунок 3, г), угловые (рисунок 3, д), шпоночные (рисунок 3, е);
3) для обработки фасонных поверхностей – фасонные (рисунок 3, ж).
Рисунок 3 - Типы фрез: а – цилиндрическая; б, з – торцовая;
в – дисковая; д – угловая; е – шпоночная; ж – фасонная; з – сборная
Фрезы могут быть цельными (рисунок 3, б-ж) или сборными (рисунок 3, а, з). Цельные фрезы изготавливают из инструментальных сталей. У сборных фрез зубья (ножи) выполняют из быстрорежущих сталей или оснащают пластинками из твердых сплавов и закрепляют в корпусе фрезы пайкой или механически.
Кроме этого, режущие кромки могут быть прямыми (рисунок 3, д) или винтовыми (рисунок 3, а). Фрезы имеют остроконечную (рисунок 3, и) или затылованную (рисунок 3, к) форму зуба.
На фрезерных станках можно выполнять следующие виды работ:
1) фрезерование горизонтальных плоскостей проводят на горизонтально-фрезерных станках цилиндрическими фрезами (рисунок 4, а) и на вертикаль-но-фрезерных станках торцовыми фрезами (рисунок 4, б);
2) фрезерование вертикальных плоскостей проводят на горизонтально-фрезерных станках торцовыми фрезами (рисунок 4, в), а на вертикально-фрезерных станках концевыми фрезами (рисунок 4, г);
3) фрезерование наклонных плоскостей и скосов проводят торцовыми (рисунок 4, д) и концевыми фрезами на вертикально-фрезерных станках. Скосы фрезеруют на горизонтально-фрезерном станке одноугловой фрезой (рисунок 4, е);
4) фрезерование комбинированных поверхностей проводят набором фрез (рисунок 4, ж) на горизонтально-фрезерных станках;
5) фрезерование уступов и прямоугольных пазов проводят концевыми (рисунок 4, з) и дисковыми (рисунок 4, и) фрезами на горизонтально- и вертикально-фрезерных станках;
6) фрезерование фасонных пазов проводят фасонной дисковой фрезой (рисунок 4, к), угловые пазы – одноугловой и двухугловой (рисунок 4, л) фрезами на горизонтально-фрезерных станках;
7) фрезерование паза клинового проводят на вертикально-фрезерном станке за два прохода: прямоугольный паз – концевой фрезой, затем скосы паза – концевой одноугловой фрезой (рисунок 4, м). Т-образные пазы (рисунок 4, н) фрезеруют также за два прохода: вначале паз прямоугольного профиля концевой фрезой, затем нижнюю часть паза – фрезой для Т-образных пазов;
8) фрезерование шпоночных пазов проводят концевыми или шпоночными (рисунок 4, о) фрезами на вертикально-фрезерных станках;
9) фрезерование фасонных поверхностей незамкнутого контура с криволинейной образующей проводят на горизонтально- и вертикально-фрезерных станках фасонными фрезами соответствующего профили (рисунок 4, п).
В зависимости от условий работы фрезы изготавливают из различных видов материалов:
Рисунок 4 - Схемы обработки заготовок на горизонтально-
и вертикально-фрезерных станках
3. НЕОБХОДИМЫЕ ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ
3.1. Вертикально- и горизонтально-фрезерный станки.
3.2. Фрезы различных типов.
4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
4.1. Изучить устройство и работу вертикально-фрезерного и горизонтально-фрезерного станков. Привести общий вид указанных выше станков.
4.2. Зарисовать цилиндрическую фрезу с винтовыми зубьями и отметить ее элементы.
4.3. Привести классификацию фрез и зарисовать схемы обработки заготовок на фрезерных станках.
4.4. Указать материалы, применяемые для изготовления фрез.
5. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
5.1. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных ВУЗов / А.М. Дальский, Т.М. Барсукова, Л.Н. Бухаркин и др.; Под общ. ред. А.М. Дальского. – 5-е изд., испр. – М. Машиностроение, 2009. – 511 с.
5.2. Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов: Учеб. для ВУЗов по машиностроительным специальностям / Г.П. Фетисов, М.Г. Кафпман, В.М. Матюнин и др. – М.: Высш. шк., 2009. – 637 с.
5.3. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение: Учеб. для студентов немашиностроительных спец. ВУЗов. – М.: Высшая школа, 2007. – 446 с.
Лабораторная работа № 11
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Ознакомиться с основными схемами шлифования и видами работ, выполняемых на шлифовальных станках. Изучить используемое оборудование, инструмент и приспособления. Освоить методику выбора режимов обработки.
2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
Шлифование применяют для чистовой и отделочной обработки деталей с высокой точностью, а также для обдирки литья, поковок и проката, заточки режущего инструмента и др. Шлифование – это процесс обработки заготовки или детали резанием с помощью абразивных кругов. Абразивные зёрна круга представляют собой микрорезцы, которые срезают тончайшие стружки с поверхности детали. По мере работы шлифовального круга абразивные зёрна скалываются и затупляются. Усилие резания на зерне постепенно возрастает, и зерно выламывается из связки. При равномерном вырывании затупившихся зёрен по всей поверхности круга происходит самозатачивание, т.е. на место выпавших зёрен в процессе резания вступают новые острые зёрна из нижних слоёв. При износе абразивного круга изменяется его рельеф и геометрия. Для восстановления режущей способности и правильной геометрической формы периодически проводится правка круга.
Процесс формообразования поверхности осуществляется за счет совокупности вращательного и поступательного движений круга и заготовки. Различные сочетания этих движений могут быть сведены к одной из наиболее распространенных схем обработки, приведенных на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схемы обработки деталей на шлифовальных станках
Главным движением при всех схемах является вращательное движение круга. Схема «а» реализуется при обработке поверхности периферией круга на плоскошлифовальных станках. Она характеризуется возвратно-поступательным движением заготовки (продольная подача), обеспечивающим снятие слоя металла по всей длине заготовки, и прерывистым поступательным движением (поперечная подача) круга, обеспечивающим обработку поверхности по всей ширине заготовки. Движение поперечной подачи осуществляется в конце продольного хода заготовки.
Схема «б» осуществляется при обработке наружных поверхностей вращения на кругло-шлифовальных станках. Формообразование осуществляется за счёт вращательного и поступательного движений заготовки. Схема «в» имеет место при обработке внутренних поверхностей вращения на внутришлифовальных станках. По методу формообразования она подобна схеме «б». Нужный диаметр обрабатываемой поверхности в обоих случаях достигается за счет перемещения оси вращения круга в радиальном направлении. Шлифование наружных поверхностей и валиков без выступов осуществляют на бесцентрово-шлифовальных станках (схема «г»). Заготовка 3 устанавливается на нож 2 и приводится во вращение ведущим кругом 4 со скоростью, несколько большей скорости вращения рабочего круга 1. Продольное перемещение заготовки вдоль оси осуществляется за счет установки оси ведущего круга под некоторым углом (1 – 7°) к оси заготовки. Такие станки легко вписываются в автоматические линии и обеспечивают высокую производительность.
Круглошлифовальные станки (рисунок 2) используются для обработки круговых цилиндрических и конических наружных поверхностей. Станок состоит из следующих основных узлов: станины 1, стола 2, передней бабки 3 с коробкой скоростей, шлифовальной бабки 4, задней бабки 5 и привода стола 6. Круглошлифовальные станки делят на простые, универсальные и врезные.
Рисунок 2 – Общий вид кругло-шлифовального станка
Универсальные станки имеют поворотную переднюю и заднюю бабки. Каждую бабку можно повернуть на определенный угол вокруг вертикальной оси и закрепить для последующей работы. Простые станки снабжены неповоротными бабками. У врезных станков отсутствует продольная подача стола, а шлифование ведется по всей длине заготовки широким абразивным кругом с поперечной подачей.
Для подач узлов кругло-шлифовальных станков широко используют гидравлические устройства. Возвратно-поступательное перемещение стола совершается с помощью гидроцилиндра и поршня. Управляют ими устройства, которые переключаются столом в крайних положениях. Гидравлические механизмы используют также для периодической подачи шлифовальной бабки. Они обеспечивают бесступенчатое регулирование подачи.
Круговую подачу Sкр заготовки обеспечивает специальный электродвигатель. Здесь используют бесступенчатое регулирование частоты вращения двигателя за счет изменения электрического сопротивления.
Шлифовальный круг вра щается с помощью клиноременной передачи. После износа кру га и уменьшения его диаметра используют другую пару шки вов.
Наиболее распространено шлифование в центрах. Для по вышения точности обработки центры устанавливают непод вижно. Круговая подача заго товки обеспечивается за счет поводкового устройства (поводок и хомутик), приводимого в действие вращающейся планшайбой. Возможно консольное закрепление заготовок в кулачковых патронах.
Скорость Vк вращательного движения круга обеспечивает ско рость резания.
Основное (технологическое) время, мин, необходимое для круглого шлифования по схеме, приведенной на рисунке 1, б:
,
где L – длина хода стола, мм; i – количество ходов.
Для изготовления шлифовальных кругов наиболее часто применяют электрокорунд, карбид кремния и кубический нитрид бора.
Основа электрокорунда – кристаллический оксид алюминия. В зависимости от содержания Al2O3 и структуры кристаллов различают электрокорунд нормальный (13А, 14А, 15А), белый (22А, 23А, 24А) и монокорунд (43А, 44А). Последний обладает наибольшей прочностью и обеспечивает высокую производительность шлифования.
Карбид кремния выпускается двух сортов: зелёный (63С) и чёрный (54С, 55С). Он более хрупок, чем электрокорунд. Благодаря острым кромкам, получающимся при дроблении, он обеспечивает очень высокую производительность.
Кубический нитрид бора (эльбор) по твёрдости уступает лишь алмазу, а теплостойкость имеет в 2 раза выше. Круги из эльбора применяют при чистовом шлифовании, заточке и доводке инструмента.
Связующая основа круга может быть керамической, бакелитовой или вулканитовой. Прочность связки определяет предельно допустимую скорость резания (обычно не более 50 м/с), а также твёрдость шлифовального круга. Для обработки особо твердых материалов используют алмазные круги, которые получают нанесением алмазного порошка на металлический или пластмассовый диск. Поскольку шлифование ведется при высоких скоростях (свыше 30 м/сек), в зону резания должен обеспечиваться подвод смазывающе-охлаждающей жидкости (СОЖ).
Важной характеристикой абразивного круга является зернистость. По зернистости абразивные материалы делятся на три группы: шлифовальные зёрна (№200…№16), шлифовальные порошки (№12, №13) и микропорошки (М40…М5). Номер зернистости обозначает средний размер зерна в сотых долях миллиметра или микрометрах (для микропорошков).
Абразивный материал выбирается в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемой заготовки, целей шлифования (черновое или чистовое) и экономических соображений. В большинстве случаев при обработке закалённых и незакалённых сталей применяют нормальный и белый электрокорунд. Монокорунд используют для обработки жаропрочных сплавов. При обработке чугунов, ряда цветных сплавов применяют круги из чёрного карбида кремния, а при шлифовании титановых сплавов – из зелёного карбида кремния. Твёрдость круга должна быть тем меньшей, чем больше твёрдость обрабатываемого материала (таблица 1).
Таблица 1
Примеры применения шлифовальных кругов
в зависимости от их твёрдости
|
Класс твёрдости круга |
Обозначение |
Применение |
|
Мягкий Среднемягкий |
М1, М2, М3 СМ1, СМ2 |
Шлифование незакален-ной и закаленной стали, быстрорежущей стали и твёрдых сплавов |
|
Средний |
С2, С1 |
Шлифование незакален-ной стали, быстрорежу-щей стали, бронзы; резка металла |
|
Среднетвёрдый |
СТ1, СТ2, СТ3 |
Шлифование незакален-ной стали, алюминиевых сплавов, бронзы, резка металла, обдирка поко-вок, отливок |
|
Твёрдый |
Т1, Т2 |
Обдирка отливок и по-ковок; зачистка мест сварки |
|
Весьма твёрдый Чрезвычайно твёрдый |
ВТ1, ВТ2 ЧТ1, ЧТ2 |
Шлифование шариков |
|
Примечание. Цифры 1, 2, 3 после букв характеризуют твёрдость в порядке её возрастания |
Зернистость круга должна обеспечить необходимую шероховатость поверхности. Высота микронеровностей Rz, мкм, ориентировочно связана со средним размером абразивных зёрен da, мм, зависимостью
,
где CR – постоянная, зависящая от свойств материала детали и круга и равная 6…7,2.
Глубину резания, продольную подачу (скорость движения стола), поперечную подачу выбирают по таблице 2. При этом следует учитывать, что для получения более низкой шероховатости необходима меньшая глубина резания. При росте продольной подачи улучшается отвод тепла, но увеличивается разбрызгивание СОЖ, усилие резания и вибрация. Поперечная подача назначается в долях ширины круга на ход стола.
Таблица 2
Элементы режима резания при плоском шлифовании
|
Материал обрабатываемой детали |
Характер обработки |
Глубина резания, мм |
Поперечная подача, доли ширины круга на ход стола |
Продольная подача, м/мин |
|
Инструменталь-ные материалы |
Черновая Чистовая |
0,05…0,15 0,01…0,015 |
0,04…0,10 0,02…0,06 |
3…8 3…8 |
|
Конструкционная сталь |
Черновая Чистовая |
0,02…0,06 0,015…0,02 |
0,4…0,7 0,2…0,3 |
8…30 15…20 |
|
Чугуны |
Черновая Чистовая |
0,05…0,1 0,005…0,02 |
0,5…0,8 0,2…0,3 |
20…85 15…30 |
Скорость шлифовального круга ограничивается его прочностью. Её выбирают в зависимости от вида связки, профиля круга и подачи. При этом её следует брать близкой к максимально допустимой (таблица 3) для обеспечения наибольшей производительности и чистоты поверхности при минимальном износе кругов. Производительность обработки растёт пропорционально увеличению скорости резания.
При шлифовании всегда применяют СОЖ. Чаще всего это сульфофрезол, водные растворы кальцинированной соды, эмульсола, тринатрийфосфата и др. При отделочной обработке применяют смесь керосина (10%) и машинного масла или сульфофрезола. Чистота СОЖ влияет на шероховатость поверхности: при содержании примесей около 0,1% происходит ухудшение шероховатости на 1 класс. СОЖ должна подаваться обильно, из расчёта 5-7 л/мин на каждые 10 мм ширины круга.
Т
Таблица 3
Максимально допустимые окружные скорости
шлифовальных кругов
|
Форма круга |
Обозна-чение формы |
Окружная скорость на связке, м/с |
||
|
керами-ческой |
бакели-товой |
вулка-нитовой |
||
|
Плоский прямой |
ПП |
30…35 |
40 |
35 |
|
Плоский с выточкой |
ПВ |
35 |
– |
– |
|
Дисковый |
Д |
– |
50 |
50 |
|
Чашечный конический |
ЧК |
25…30 |
30…35 |
– |
|
Чашечный цилиндрический |
ЧЦ |
25…30 |
30…35 |
– |
|
Тарельчатый |
1Т, 2Т, 3Т |
25 |
30 |
2 |
Маркировка абразивного инструмента включает следующие обозначения: а) марка или сокращённое наименование завода-изготовителя; б) обозначение типо-размера согласно соответствующему размерному стандарту; в) абразивный материал; г) номер зернистости; д) степень твёрдости; е) связка; ж) наибольшая гарантируемая рабочая окружная скорость (только для кругов).
Например, маркировка Э46 СМ1 К5 обозначает: нормальный электроко-рунд, зернистость №46, средняя мягкость 1, керамическая связка, структура №5.
3. НЕОБХОДИМЫЕ ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ
3.1. Плоскошлифовальный и круглошлифовальный станки.
3.2. Шлифовальные круги.
3.3. Заготовки для демонстрации процесса шлифования на станках.
4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Демонстрационные работы на станке проводит учебный мастер.
4.1. Ознакомить студентов с основными узлами станка и их назначением.
4.2. Продемонстрировать обработку плоской и цилиндрической поверхнос-ти при различных режимах резания.
4.3. В соответствии с вариантом задания выбрать марку абразивного круга; по таблицам 2 и 3 назначить основные элементы режима резания (глубина резания, продольная и поперечная подача, скорость резания); выбрать СОЖ. По выбранной окружной скорости Vкр, м/с, и диаметру круга D, мм, определить частоту вращения шпинделя, об/мин:
.
Полученные значения элементов режима резания согласовать с паспортными данными станка и установить необходимый режим обработки.
4.4. Обработать деталь. Сравнением с эталонами определить полученную шероховатость поверхности.
4.5. Сравнивая данные, полученные различными подгруппами, сделать вывод о влиянии на шероховатость детали зернистости круга и режима резания.
4.6. Составить отчёт, который должен содержать следующие пункты:
а) схемы обработки деталей на шлифовальных станках;
б) схему кругло-шлифовального станка с указанием основных узлов и их назначения;
в) характеристика и основные параметры процесса резания при шлифовании;
г) обоснование выбора марки круга и режимов обработки.
5. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
5.1. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных ВУЗов / А.М. Дальский, Т.М. Барсукова, Л.Н. Бухаркин и др.; Под общ. ред. А.М. Дальского. – 5-е изд., испр. – М. Машиностроение, 2009. – 511 с.
5.2. Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов: Учеб. для ВУЗов по машиностроительным специальностям / Г.П. Фетисов, М.Г. Кафпман, В.М. Матюнин и др. – М.: Высш. шк., 2009. – 637 с.
5.3. Справочник технолога – машиностроителя. Под ред. А.Г. Косиловой. Том. 2. – М.: Машиностроение, 1986. – 496 с.
КАМЫНИН Виктор Викторович
СЕРПИК Людмила Григорьевна
ДМИТРИЕВА Наталья Викторовна
ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров
190600 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов»
и 151000 «Технологические машины и оборудование
Формат 60х84/16. Объем 5,4 у.п.л. Тираж 30 экз.
Компьютерный набор. Гарнитура Таймс.
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Брянская государственная инженерно-технологическая академия»
241037, Брянск, проспект Станке Димитрова, 3
Отпечатано в учебно-издательском центре БГИТА